Повышение эффективности процесса алмазного выглаживания деталей ГТД и авиаагрегатов на основе определения рациональных условий обработки
Введение…………………………………………………………………………… 5
1 Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования……………………. 13
1.1 Характеристика и общий анализ процессов выглаживания
поверхностей деталей………………………………………………………. 14
1.2 Математические модели управления процессом выглаживания
и пути их совершенствования……………………………………………… 22
1.3 Исследование теплонапряжённости процессов выглаживания……………. 27
1.4 Исследование шероховатости поверхности………………………………… 30
1.5 Остаточные напряжения и сопротивление усталости деталей……………. 34
1.6 Теоретические и экспериментальные исследования глубины
пластической деформации поверхностного слоя при выглаживании…… 40
1.7 Устройства, приспособления и способы выглаживания…………………. 44
1.8 Выводы и задачи исследования……………………………………………. 54
2 Математическая модель для определения рациональных условий
обработки на операциях алмазного выглаживания…………………………… 57
2.1 Выбор целевой функции……………………………………………………… 58
2.2 Выбор технических ограничений…………………………………………. 59
2.3 Построение линейной математической модели………………………….. 67
2.4 Программа для определения рациональных условий обработки
на операциях алмазного выглаживания…………………………………… 70
2.5 Выводы по главе 2…………………………………………………………… 78
3 Модели для исследования тепловых явлений и напряженно-
деформированного состояния поверхностного слоя заготовок
при алмазном выглаживании……………………………………………………. 80
3.1 Теоретические и экспериментальные исследования максимальной
температуры при алмазном выглаживании………………………………… 80
3.1.1 Математическая модель для расчёта максимальной
температуры при алмазном выглаживании…………………………. 81
3.1.2 Результаты численного экспериментального исследования
максимальной температуры в зоне контакта алмазного
выглаживателя с заготовкой………………………………….………. 86
3.2 Модели для оценки напряжённо-деформированного состояния
поверхностного слоя ……………………………………………………….. 90
3.2.1 Конечно-элементная модель напряжённо-деформированного
состояния поверхностного слоя при алмазном выглаживании…….. 90
3.2.2 Имитационная модель определения глубины залегания
пластической деформации……………………………………………. 97
3.3 Выводы по главе 3…………………………………………………………… 110
4 Исследование показателей качества поверхностного слоя заготовок после
операций алмазного выглаживания……………………………………………. 111
4.1 Техническое и методическое обеспечение проведения
экспериментальных исследований………………………………………….. 111
4.1.1 Обрабатываемый материал……………………………………………. 111
4.1.2 Оборудование, выглаживающие инструменты, образцы, оснастка
и средства измерения, используемые при проведении
исследований…………………………………………………………..
4.1.3 Общая методика проведения комплекса исследований
и обработка результатов………………………………………………. 117
4.1.4 Методика исследования шероховатости поверхности……………… 120
4.1.5 Методика исследования остаточных напряжений………………….. 124
4.1.6 Методика исследования микротвёрдости поверхности……………. 129
4.2 Результаты экспериментальных исследований показателей
качества поверхностного слоя…………………………………………….. 132
4.2.1 Результаты исследования шероховатости поверхности…………… 132
4.2.2 Исследование остаточных напряжений и глубины их залегания…. 139
4.2.3 Исследование микротвёрдости поверхности и глубины
упрочнённого слоя……………………………………………………. 152
4.3 Выводы по главе 4…………………………………………………………… 160
5 Разработка способа, приспособления и устройства для алмазного
выглаживания заготовок. Апробация и внедрение результатов
исследований……………………………………………………………………. 163
5.1 Разработка способа, приспособления и устройства, предназначенных
для алмазного выглаживанием заготовок……………………………………………. 163
5.1.1 Способ отделочно-упрочняющей обработки……………………….. 163
5.1.2 Приспособление для отделочно-упрочняющей обработки
наружных поверхностей……………………………………………… 167
5.1.3 Устройство для алмазного выглаживания отверстий………………. 170
5.2 Апробация и внедрение результатов исследования………………………. 174
5.3 Выводы по главе 5…………………………………………………………… 183
Заключение………………………………………………………………………… 184
Список сокращений и условных обозначений………………………………….. 187
Список литературы…………………………………………….………………….. 191
Приложение А. Методика определения рациональных условий
деформирования поверхностей деталей на операциях
алмазного выглаживания……………………………………… 220
Приложение Б. Акт внедрения производственных инструкций ……………… 222
Приложение В. Титульные листы разработанных производственных
инструкций………………………………………………………. 223
Приложение Г. Акт опытно-промышленной проверки выглаживания валов
турбины низкого давления ГТД семейства «НК»………..…… 225
Приложение Д. Акт опытно-промышленной проверки выглаживания валов
вентилятора ГТД семейства «ПД»..…………………….…….. 227
Приложение Е. Акт внедрения результатов диссертационной работы
в учебный процесс………………………………………………. 228
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, степень её раз- работанности, поставлены цель и задачи исследования, определена научная новизна, сфор- мулированы основные положения, выносимые на защиту, и сведения об апробации работы.
В первой главе выполнен тщательный анализ состояния темы исследования. Рассмот- рены различные способы процесса алмазного выглаживания и определены их возможности. Дана оценка процесса.
Проведен анализ существующих математических моделей, позволяющих оптимизиро- вать операции алмазного выглаживания, на основании которого установлено, что в настоящее время практически отсутствуют модели, содержащие ограничения-неравенства как по функ- циональным параметрам, так и по параметрам, характеризующим качество обработки.
Установлено, что, несмотря на наличие аналитических зависимостей, предназначенных для расчёта температуры, использование их в условиях производства не всегда возможно, в связи с отсутствием экспериментальных коэффициентов, входящих в данные зависимости. Кроме того, следует отметить, что данные зависимости достаточно громоздки, не учитывают изменение силы трения от температуры и не всегда приемлемы для условий производства.
Выполнен анализ моделей, предназначенных для оценки напряжённо-деформируемого состояния поверхностного слоя деталей после операций алмазного выглаживания. Установ- лено, что конечно-элементные модели, предназначенные для расчёта остаточных напряже- ний, в основном двухмерные и не учитывают влияние продольной подачи индентора на фор- мирование ОН. А в существующих аналитических зависимостях, используемых для расчёта глубины деформационного упрочнения (наклёпа), не учитывается влияние на неё силы тре- ния и адгезионных процессов, имеющих место в зоне контакта выглаживателя с заготовкой.
Анализ результатов экспериментальных исследований, посвященных изучению качества обработки при алмазном выглаживании, показал, что в настоящее время эмпирические зави- симости, устанавливающие влияние параметров процесса алмазного выглаживания на пара- метры качества обработки, имеются лишь для ограниченного перечня материалов. А они необходимы для использования в математических моделях.
Рассмотрены существующие устройства, приспособления, оправки и т.д., предназна- ченные для выполнения процесса алмазного выглаживания, и определены пути их совершен- ствования.
На основании вышеизложенного были сформулированы цель работы и задачи исследо-
вания.Во второй главе приведена линейная математическая модель для определения рацио- нальных условий обработки на операциях алмазного выглаживания. Данная математическая модель отличается от существующей тем, что в техническое ограничение, связанное со стой-
костью выглаживающего инструмента, дополнительно введены сила выглаживания и
исходная шероховатость поверхности исх , в значительной мере влияющие на этот пара-
метр. Кроме того, в предложенную модель введены ограничения, связанные с величиной окружных и осевых сжимающих остаточных напряжений, формируемых в поверхностном слое заготовки. Математическая модель включает целевую функцию, в качестве которой принято машинное время обработки, и технические ограничения, связанные со стойкостью алмазного инструмента, силой выглаживания (зависящей от характера выглаживания), предельно допу- стимой температурой в зоне поверхностного пластического деформирования (ППД), геомет- рической точностью обрабатываемой поверхности, предельно допустимой шероховатостью поверхности (подвергаемой выглаживанию), величиной остаточных напряжений в выглажен- ной поверхности, кинематическими характеристиками применяемого оборудования. Ограниче- ния представлены в виде неравенств. Совместное решение уравнения, описывающего целевую функцию, и технических ограничений-неравенств позволяет определить рациональные условия обработки для различных операций алмазного выглаживания.
Математическая модель для определения рациональных условий обработки на опера- циях алмазного выглаживания заготовок имеет вид (1):
где = ; = ( ); = ;
=u;
uu « исх
u
qqq
st уst st sо уsо sо
=–
»… =p;
…
исх сф сф « сф
»… исх сф =p;
…
= q qqкр;
st st st
=;=;=;
исх сф st st sо sо « «stсф«sосф
«
исх сф
sо sо sо
сф « сф
qq q сф
«
= (исх-d);
= (ст ); = (ст ); = ( ст ); = ; = ( ),
‒ частота вращения заготовки, об/мин; ‒ подача, мм/об;
u ‒ коэффициент наработки для нормативных условий обработки;
циент, учитывающий изменение реальных условий обработки относительно тех, при которых
определяется выглаживателя,
u ; ‒ диаметр обрабатываемой поверхности, мм; ‒ заданная стойкость = мин; исх ‒ исходное значение шероховатости поверхности,
‒ показатели степени, характеризующие влияние исх , и на скорость сф ‒ радиус инструмента, мм; ‒ твердость обрабатываемого материала по ‒ значения коэффициентов, зависящие от характера выглаживания поверхности
мкм; u u u
выглаживания;
Виккерсу, МПа;
(для сглаживающего режима: = , = , а для упрочняющего: = , коэффициент перевода параметра шероховатости поверхности из в (
u сф на величину температуры; − коэффициент, определяющий конкретные условия выглаживания в зависимости для расчёта шероховатости; − показатели степени, характеризующие влияние исх сф u на параметр шероховатости ; s t и s о − коэффициенты, учитывающие влияние условий обработки на величины окружных и осевых оста- точных напряжений; s t и s о − минимальные величины сжимающих окружных и осевых
остаточных напряжений, указанные в технических требованиях на операцию, МПа;
критическая (предельно допустимая) температура в зоне обработки, С;
q − коэффициент, отра- жающий влияние условий обработки на температуру в зоне пластической деформации; q q q q − показатели степени, характеризующие интенсивность влияния соответственно
st st st st и s о влияния соответственно
s о
ст
s о s о − показатели степени, характеризующие интенсивность
напряжений; ст
и
станка, об/мин;
и
u
сф на величины окружных и осевых сжимающих остаточных ‒ максимальная и минимальная частоты вращения шпинделя
‒ максимальная и минимальная подачи станка, мм/об.
ст
Решение задачи по определению рациональных условий обработки для конкретной
ст
операции алмазного выглаживания осуществляется посредством симплекс-метода, т.е. при совместном решении всех возможных пар линейных уравнений-неравенств (ограничений). По результатам аналитического решения строится его графическая интерпретация, т.е. область решений, внутри которой каждая точка удовлетворяет всем уравнениям-неравенствам.
На основе полученной линейной математической модели (1) разработан алгоритм и со- здана авторская программа расчёта, написанная на языке программирования Delphi, которая была использована для определения рациональных условий обработки на операциях алмаз- ного выглаживания вала ТНД авиационного ГТД семейства «НК», стойки шасси самолёта ИЛ-476 и вала вентилятора авиационного ГТД семейства «ПД».
В третьей главе представлены модели, предназначенные для исследования тепловых явлений и напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя заготовок при ал- мазном выглаживании.
Для расчёта максимальной температуры в зоне контакта индентора с заготовкой было использовано существующее решение задачи о разогреве двух твёрдых инертных материалов от воздействия силы трения, полученное А.П. Амосовым, адаптированное к процессу алмаз- ного выглаживания путём уточнения формулы для определения номинальной площади кон- такта индентора с заготовкой. Номинальная площадь является одним из исходных парамет- ров, входящих в аналитическую зависимость для расчёта максимального приращения темпе-
= ( ст );
‒ сила выглаживания, Н;
‒ поправочный коэффи-
=
= ); ‒ 2 ); qкр −
ратуры за счёт контактного разогрева. Формула для определения номинального контакта ал- мазного выглаживателя с заготовкой имеет вид
н = p сф p сф в =p сф« в (2)
где н – номинальная площадь контакта алмазной сферы инструмента с заготовкой, м2;
глубина внедрения сферы выглаживателя в заготовку, м; в высота волны пластического
течения материала заготовки перед фронтальной поверхностью выглаживателя, м.
На рисунке 1 представлены графики зависимостей глубины внедрения сферы алмазного
наконечника ( ) в обрабатываемую поверхность и высоты волны пластического течения металла перед фронтальной поверхностью индентора ( в ) от силы выглаживания при
обработке образцов из стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш, необходимые для определения н а на
рисунке 2 приведены графики зависимостей максимальной температуры в зоне контакта вы- глаживателя с заготовкой от усилия и скорости выглаживания. Исходя из анализа данных графиков, было установлено более интенсивное влияние скорости выглаживания на макси- мальную температуру в зоне контакта по сравнению с силой выглаживания, что хорошо согла- суется с результатами других исследователей. Погрешность расчётных значений температуры по сравнению с данными натурных экспериментов других авторов составила 13…20%.
Для определения характера, величины и глубины залегания ОН в поверхностном слое заготовки была разработана конечно-элементная модель процесса алмазного выглаживания в программном комплексе ANSYS. Отличие разработанной конечно-элементной модели от су- ществующих заключается в том, что в ней, помимо влияния на процесс выглаживания силы прижима индентора к обрабатываемой заготовке, радиуса сферы инструмента и скорости выглаживания, впервые учитывается также наличие продольной подачи выглаживающего инструмента. Кроме того, данная модель выполнена трёхмерной. Построение объёмной ко- нечно-элементной модели и учёт продольной подачи при обработке позволяют представить процесс выглаживания в более реальном виде.
Результаты распределения окружных и осевых остаточных напряжений в поверхност- ном слое образцов из жаропрочной стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш, полученные посредством ко- нечно-элементной модели, представлены на рисунке 3, а эпюры распределения остаточных напряжений для этой же стали, полученные на основе численных и натурных экспериментов, показаны на рисунке 4. Численные исследования окружных и осевых остаточных напряжений с помощью конечно-элементной модели, а также натурные исследования этих напряжений, были выполнены и для условий алмазного выглаживания высокопрочной стали 30ХГСН2А-ВД.
1– = ;2–h
Актуальность работы. Надёжность и долговечность изделий авиационной
техники в значительной степени зависят от качества изготавливаемых деталей, в
том числе от качества их поверхностного слоя. При этом на качество поверхно-
стей деталей значительное влияние оказывают финишные операции, к которым
относится процесс алмазного выглаживания. Данный метод отделочно-
упрочняющей обработки позволяет существенно уменьшить шероховатость по-
верхности, увеличить микротвёрдость поверхностного слоя и его износостой-
кость, сформировать в поверхностном слое необходимые сжимающие остаточные
напряжения (ОН) и, следовательно, повысить сопротивление усталости деталей.
Требуемые показатели качества поверхностного слоя могут быть обеспече-
ны за счёт выбора рациональных метода и условий процесса алмазного выглажи-
вания, включающих: усилие прижима инструмента к заготовке, скорость выгла-
живания, подачу, радиус сферы алмаза, исходную шероховатость поверхности и
т.д., а также за счёт выбора наилучшей конструкции устройства для осуществле-
ния указанного ранее процесса. При этом определение рациональных условий об-
работки, гарантированно обеспечивающих требуемые параметры качества при
максимальной производительности процесса, т.е. повышение эффективности про-
цесса выглаживания, целесообразно осуществлять на основе использования мате-
матической модели, реализованной в программе расчёта, которая должна быть
основой для разработки методики определения рациональных условий деформи-
рования поверхностей деталей и, в частности деталей ГТД и авиаагрегатов. По-
этому тема диссертационной работы, направленная на повышение эффективности
процесса алмазного выглаживания является актуальной.
Степень разработанности темы. Процесс алмазного выглаживания явля-
ется одним из эффективных методов отделочно-упрочняющей обработки плоских
поверхностей и тел вращения. Значительный вклад в изучение различных сторон
процесса алмазного выглаживания внесли советские и зарубежные учёные:
Барац Я.И., Барац Ф.Я., Беляев А.С., Волков А.Ф., Грановский Э.Г., Егоров В.И.,
Иоффе М.И., Кравченко Б.А., Маркус Л.И., Машков В.М., Митряев К.Ф.,
Папшев Д.Д., Торбило В.М., Хворостухин Л.А., Чекин Г.И., Чепа П.А.,
Яценко В.К., Байли И., Брудер И., Зум А., Кониг Х., Хидэо Ц., Холл И. и др.
В работах Абульханова С.Р., Алексеева П.Г., Антонюка Ф.И., Будейкиной
И.Е., Бараца Я.И., Бараца Ф.Я., Егорова В.И., Ивченко Т.Г., Кравченко Б.А., Лахе-
ра С.Ш., Губанова В.Ф., Лалазаровой Н.А., Лихобабиной Н.В., Мельникова П.А.,
Резникова А.Н., Сидорова С.Ю., Скуратова Д.Л., Соловьева С.Н., Торбило В.М. и
др. представлены математические модели, связывающие параметры, характери-
зующие качество поверхностного слоя и (или) функциональные параметры вы-
глаживания, например, температуру, с параметрами процесса алмазного выглажи-
вания: скоростью, подачей, исходной шероховатостью, усилием прижима инден-
тора к заготовке, радиусом алмазного выглаживателя и т.д. К сожалению, в науч-
ной и научно-технической литературе не найдены математические модели, позво-
ляющие определять условия деформирования, обеспечивающие при максималь-
ной производительности процесса алмазного выглаживания значительный ком-
плекс требований как к функциональным параметрам, так и к параметрам, харак-
теризующим качество выглаженной поверхности, а именно: точности размера,
шероховатости, микротвёрдости, остаточным напряжениям и т.п.
Широкое использование в технических расчётах программных продуктов,
базирующихся на методе конечно-элементного анализа, таких как ANSYS, LS-
Dyna, Deform и т.д., позволило Титову В.А. в программе ANSYS создать модель
процесса алмазного выглаживания в квазистатической постановке, при которой
индентору вместо скорости сообщается перемещение. Кузнецов В.П. в программе
LS-Dyna смоделировал ранее указанный процесс в динамической постановке и
определил пластические деформации материала и сдвиговые напряжения. Однако
обе эти модели были получены авторами в двухмерной постановке, т.е. никто из
авторов при построении конечно-элементных моделей не учитывал движение
продольной подачи инструмента, что конечно сказывается на точности расчётов.
Решением контактных задач теории упругости деформируемых твёрдых тел
занимались Галин Л.А., Мусхелишвили Н.И., Прагер В., Лаврентьев М.А., Шабат
Б.В. Этими учёными разработаны соответствующие методики, позволяющие
определять упругие деформации при различных условиях взаимодействия полу-
плоскости со штампом. Однако материалов по использованию подобных методик
применительно к процессу алмазного выглаживания для определения глубины
деформационного упрочнения в научных и научно-технических работах найдено
не было.
Для осуществления процесса выглаживания предложено большое количе-
ство схем, а также оправок и устройств. Классификация схем выглаживания при-
ведена в работе Торбило В.М., а устройства и оправки для осуществления процес-
са выглаживания представлены в работах Абульханова С.Р., Губанова В.Ф., Боб-
ровского И.Н., Лукьянова А.А. и др. Однако для расширения технологических
возможностей процесса выглаживания необходима разработка новых и совершен-
ствование уже существующих способов и устройств.
Целью диссертационной работы является повышение производительности
процесса алмазного выглаживания и обеспечение требуемых параметров качества
поверхности деталей ГТД и авиаагрегатов на основе определения рациональных
условий поверхностного пластического деформирования материала.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были реше-
ны следующие задачи:
˗ разработаны линейная математическая модель и методика для определе-
ния рациональных условий деформирования поверхностей деталей на операциях
алмазного выглаживания;
˗ адаптировано существующее аналитическое решение задачи о разогреве
двух твёрдых инертных материалов от воздействия силы трения, связанной сте-
пенной зависимостью с температурой, для исследования температуры на опера-
циях алмазного выглаживания;
˗ разработана конечно-элементная модель процесса алмазного выглажива-
ния для оценки напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя
после обработки;
˗ создана имитационная двухмерная модель для определения глубины рас-
пространения пластической деформации при алмазном выглаживании, базирую-
щаяся на существующем решении контактной задачи о упругом взаимодействии
двух плоских тел, движущихся друг относительно друга с трением и адгезионным
схватыванием;
˗ получены экспериментальные зависимости, связывающие параметры ка-
чества поверхности (шероховатость, остаточные напряжения и глубину залегания
их максимума, величину и глубину наклёпа) с элементами, определяющими про-
цесс выглаживания;
˗ разработаны способ, приспособление и устройство для процесса алмазно-
го выглаживания деталей;
˗ проведена апробация полученных разработок при проектировании техно-
логических процессов алмазного выглаживания деталей ГТД и авиаагрегатов.
Объект исследований. Процесс алмазного выглаживания деталей ГТД и
авиаагрегатов.
Предмет исследований. Определение рациональных условий пластическо-
го деформирования поверхностей деталей.
Научная новизна.
1 Разработаны линейная математическая модель, реализованная в авторской
программе расчёта, и методика для определения рациональных условий деформи-
рования поверхностей деталей ГТД и авиаагрегатов на операциях алмазного вы-
глаживания как при сглаживающем, так и упрочняющем воздействии алмазного
индентора.
2 Адаптирована к процессу алмазного выглаживания существующая анали-
тическая зависимость для определения максимальной температуры в зоне контак-
та двух твёрдых инертных материалов путём использования в ней новой расчёт-
ной формулы для определения номинальной площади контакта индентора с заго-
товкой, учитывающей образование волны пластического течения металла, имею-
щей неодинаковую высоту перед фронтальной поверхностью индентора. Погреш-
ность расчётных значений температуры по сравнению с данными натурных экс-
периментов других авторов составила 13…20%.
3 Разработана конечно-элементная модель, предназначенная для оценки
напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя заготовок, обра-
ботанных методом алмазного выглаживания, отличающаяся от существующих
возможностью получения решения объёмной задачи и учётом движения продоль-
ной подачи индентора. Сопоставление численного и натурного экспериментов
при выглаживании заготовок из сталей 15Х12Н2МВФАБ-Ш (ЭП517-Ш) и
30ХГСН2А-ВД показало, что погрешность определения ОН не превышает 20%.
4 Создана имитационная модель для определения глубины распространения
пластической деформации в поверхностном слое обрабатываемого материала на
операциях алмазного выглаживания, базирующаяся на известном решении кон-
тактной задачи об упругом взаимодействии двух плоских тел, движущихся друг
относительно друга с трением и адгезионным схватыванием. Погрешность расчё-
та глубины распространения пластической деформации и данных эксперимен-
тальных исследований не превысила 10%.
5 Получены экспериментальные зависимости, связывающие шероховатость
поверхности ( Ra ), окружные и осевые остаточные напряжения и глубину залега-
ния их максимума, а также величину и глубину наклёпа с параметрами, опреде-
ляющими процесс выглаживания при обработке жаропрочной стали
15Х12Н2МВФАБ-Ш и высокопрочной стали 30ХГСН2А-ВД.
6 Разработаны новые способ, приспособление и устройство для операций
алмазного выглаживания, защищённые патентами РФ (патенты на изобретение
№ 2571011, № 2570137 и патент на полезную модель № 143565) и патентом США
№ 9.884.402 В2.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке линейной
математической модели для определения рациональных условий деформирования
поверхностного слоя деталей ГТД и авиаагрегатов на операциях алмазного вы-
глаживания, в адаптации существующей аналитической зависимости для опреде-
ления максимальной температуры в зоне контакта двух твёрдых инертных мате-
риалов от воздействия силы трения применительно к процессу алмазного выгла-
живания путем применения новой расчётной формулы для определения номи-
нальной площади контакта индентора с заготовкой, а также в разработке конечно-
элементной и имитационной моделей соответственно для оценки напряжённо-
деформированного состояния поверхностного слоя и определения глубины рас-
пространения пластической деформации при алмазном выглаживании.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики для
определения рациональных условий деформирования поверхностного слоя дета-
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!