Технологическое обеспечение точности механической обработки тонкостенных деталей авиационных двигателей

Тонкостенные детали находят широкое применение при проектировании авиационных двигателей и их агрегатов. Это объясняется специфическими характеристиками, которыми должны обладать узлы и агрегаты авиадвигателя. К их качеству предъявляются более жёсткие требования по сравнению с требованиями в других машиностроительных отраслях. При этом помимо обеспечения заданных эксплуатационных характеристик, элементы двигателя должны отвечать требованиям надёжности, долговечности, безопасности и т. д.

В таких условиях в авиационном моторостроении наиболее актуальными являются проблемы, связанные с обеспечением заданных параметров точности при изготовлении деталей двигателя. Решение данного круга вопросов требует комплексного подхода, поскольку на качество изготавливаемых деталей влияет огромное количество самых различных факторов. Эти факторы могут иметь разную природу, также различна и степень их влияния на точность размерной обработки деталей.

При обработке тонкостенных деталей главной проблемой является недостаточная жесткость заготовки и в целом технологической системы. В таких случаях прогибы поверхности детали под действием сил резания и закрепления зачастую соизмеримы с допуском на механическую обработку. Соответственно, достижение заданных параметров точности обработанной поверхности становится сложной технологической и производственной задачей.

Для того чтобы погрешности обработки были минимальными, необходимо правильно выбрать методы и средства технологической подготовки производства. Они должны способствовать минимизации основных погрешностей, которые могут возникнуть на различных стадиях реализации технологического процесса.

Одними из характерных представителей тонкостенных деталей в авиамоторостроении являются кольцевые детали. Соотношение диаметра и толщины стенки такой детали может составлять 500:1. Очевидно, что обеспечить жесткость технологической системы при обработке такой заготовки очень сложно. Для этого необходимо выдержать ряд требований: геометрическая точность станка и его элементов, жёсткая фиксация заготовки в станочном приспособлении, хорошее качество режущего инструмента, высокая квалификация рабочего и/или наладчика и т. д.

Достичь одинаково высокого уровня всех факторов обработки в реальных производственных условиях практически невозможно. Кроме того, рассматриваемые детали, как правило, изготавливаются из труднообрабатываемых сплавов. Соответственно, в зоне резания возникают температурные деформации, ускоряется размерный износ режущего инструмента.

Таким образом, исследования в данной области направлены, в первую очередь, на выявление наиболее значимых факторов, влияющих на точность обработки, и разработку методов технологического воздействия, которые будут способствовать минимизации возникающих погрешностей.

Технологические причины определяют рассеивание параметров точности ответственных деталей одной и той же модели. Недоработки методов технологического воздействия, несоблюдение определенных требований в процессе обработки деталей могут привести к трудностям при сборке, снижению надежности работы узла двигателя, а при наиболее неблагоприятном стечении факторов — к выходу из строя элементов конструкций.

Известно, что изнашивание деталей начинается с поверхностного слоя, который характеризуется микрогеометрией, упрочнением, структурой и остаточным напряжением. Выдерживание величин указанных параметров в допустимых пределах возможно только путем применения соответствующих методов построения технологического процесса, подбора оптимальных условий обработки и учета наиболее значимых факторов обработки, определяющих точность формы и выполняемого размера, на стадии проектирования технологического процесса. При этом в рабочих чертежах детали задаются, как правило, допуск на размер, параметр чистоты поверхности и условия взаимного расположения поверхностей. Отсюда следует, что учет комплекса параметров поверхностного слоя детали — задача технологического характера.

Заданные параметры точности детали, в первую очередь, определяются эксплуатационными характеристиками изделия, в которое входит эта деталь. Назначение методов и средств обработки, выбор параметров обработки на стадии проектирования технологического процесса необходимо производить с учетом большого количества разнородных факторов. В ходе выполнения данной работы был проведен анализ имеющихся в литературе данных, относящихся к достижению заданных параметров точности механической обработки нежестких деталей. Анализ разработанных методов и средств достижения заданной точности при обработке деталей привел к выводу о том, что недостаточно исследован характер возникновения деформаций при обработке ступенчатых кольцевых деталей. В литературе приведено мало сведений, позволяющих в полной мере учесть воздействие основных технологических факторов на достижение заданной точности обработки этих деталей. Отсюда следует актуальность выбранного направления исследования.

Следующим этапом стало выявление погрешностей, возникающих в результате упругих деформаций технологической системы, а также их рассмотрение с учетом явления технологической наследственности. На основании проведенного анализа и теоретического исследования разработан экспериментально-теоретический метод исследования технологического обеспечения точности обработки тонкостенного ступенчатого кольца, а также методика неразрушающего контроля точности закрепления заготовки в станочном приспособлении с применением ультразвуковой дефектоскопии.

Проведенные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния и точности формы нежесткого ступенчатого кольца подверглись анализу с целью оценки целесообразности применения разработанной методики в реальных производственных условиях.

Внедрение результатов данной работы в производстве тонкостенных кольцевых деталей авиационных двигателей позволит значительно повысить уровень технологической подготовки производства за счет того, что воздействие наиболее значимых технологических факторов обработки и вероятность возникновения соответствующих погрешностей будут учитываться на стадии проектирования технологических процессов.

3.6. Выводы.

На основе проведенного теоретического исследования, изложенного в предыдущей главе, разработан экспериментально-теоретический метод определения точности формы тонкостенных кольцевых деталей.

В качестве образца для исследования было выбрано тонкостенное кольцо переменного сечения, которое характеризуется изменением жесткости пропорционально изменению толщины ступеней. Деталь изготовлена из жаропрочного титанового сплава ВТ-20. Для избежания возникновения погрешностей при переустановке заготовки, обработка наружного профиля производится за одну установку.

Разработана конструкция приспособления — планшайбы с шестью опорными секторами и винтовым зажимным устройством. Данное приспособление обеспечивает базирование кольцевой заготовки по внутренней поверхности с минимальными зазорами между секторами. Минимальная величина зазора определяется допустимым ходом секторов в радиальном направлении, необходимым для перенастройки приспособления для обработки нескольких видов деталей, а также для более точного базирования в зависимости от фактического внутреннего диаметра заготовки.

Для контроля точности сопряжения обрабатываемой заготовки и опорного сектора приспособления предлагается использовать метод ультразвуковой дефектоскопии. Анализ существующих методов неразрушающего контроля показал, что наиболее целесообразным является ультразвуковой метод. Его отличительные особенности: высокая чувствительность, большая проникающая способность, безопасность в работе и др. — делают этот метод применимым для определения сплошности контакта заготовки и приспособления.

Разработанная методика ультразвукового контроля позволяет при помощи ультразвукового дефектоскопа общего назначения, настроенного по специальному эталону, с высокой точностью находить места, где контакт сектора планшайбы и обрабатываемой кольцевой заготовки имеет разрыв. В зависимости от результатов ультразвукового контроля производится поднастройка системы при помощи компенсирующего механизма приспособления.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что с применением разработанной методики повышается точность формы и выполняемых размеров обрабатываемой кольцевой заготовки за счет дополнительной технологической наладки.

Использование результатов экспериментальных исследований в производстве тонкостенных деталей типа ступенчатых колец позволит повысить качество технологической подготовки производства путем усовершенствования станочного приспособления и введения компенсирующей поднастройки технологической системы.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО.

СОСТОЯНИЯ И ТОЧНОСТИ ФОРМЫ НЕЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ.

4.1. Расчет величины допустимой погрешности формы тонкостенного кольца.

Одним из источников появления погрешностей при обработке нежестких заготовок-тел вращения являются отклонения формы исходной заготовки, которые в результате технологического наследования проявляются на обрабатываемой поверхности практически до последней операции из-за недостаточной жесткости технологической системы. В качестве критерия оценки точности формы нежесткого кольца на этапе реализации технологической операции можно принять коэффициент заполнения профиля Кзп в сопряжении внутренней поверхности кольца и наружной поверхности элемента приспособления. Рассмотрим два варианта: первый — когда площадь опорной поверхности Son равна площади контурной поверхности SK, второй — при неполном прилегании поверхностей, когда Son< SK (рис. 4.1).

Отклонение формы Лф кольца эквидистантно его наружной поверхности. Поэтому при воздействии силы резания Ру в процессе обработки отклонение Лф будет уменьшаться на величину упругой деформации кольца Лу. Известно, что сила резания Ру возрастает пропорционально снимаемому припуску. а б.

Рис. 4.1. Варианты контактного взаимодействия поверхностей детали и приспособления: а — полное прилегание поверхностей при Кзп=1, 8оп=8кб—неполное прилегание поверхностей при Кт<1, 8оп<$к (1 — контурная поверхность, 2 — опорная поверхность).

Известно, что деформации наружной поверхности могут изменяться от нуля до некоторого максимального значения. При этом (рис. 4.2) изменение радиусов колец определяется следующим образом: где ?//, и2 — радиальное перемещение колец, равное соответственно и -(д — контактное давление, Як Л2 ~ коэффициенты радиальной податливости) — Аф — отклонение формы. В свою очередь:

4.1).

4.2).

4.3) е2и2.

4.4) где Е/ и Е2 — модули упругости тонкостенного кольца и элемента приспособления.

Окружные напряжения <у&-1 и <т0/ определяют следующим образом:

2Д, (Д,+Д2).

Х02 ~² — «.

2Д</> Я2.

4.5).

4.6).

2Д2 (Л+/12) где 57, — относительная деформация кольца и элемента приспособления соответственно- (ЛЯ, — - изменение радиуса кольца).

Рис. 4.2. Схема контактного взаимодействия тонкостенного кольца с учетом неплотности контакта.

Наибольшая допустимая величина погрешности формы Лф из условия допустимого утонения кольца:

4.7) где <�т, гнаименьшее значение (из двух) предела текучести материала. В рассматриваемом случае точность выполняемого размера должна обеспечиваться При УСЛОВИИ.

4.2. Вывод зависимостей угла поворота и осевого перемещения кольца от.

Если говорить о деформации от усилий резания, то под действием осевой силы кольцо будет испытывать осесимметричную деформацию, когда сечение кольца поворачивается на некоторый угол. Сделаем допущение, что действующие на обрабатываемую заготовку силы и моменты равномерно распределены, и сечение кольца получит радиальное перемещение и поворот на некоторый угол.

В этом случае общая осевая сила определится как [11]: приложенных сил.

2 — 2ТШ1Ц1 = 2Ш2Ц2 где аI, а2- расстояние от оси до линий действия нагрузок (рис. 4.3.), д-, д2 — действующие нагрузки.

4.8) / 0.

1 V и 1.

I/ J.

Рис. 4.3. Расчетная схема кольца В рассматриваемом случае — сила резания, — сила закрепления. Определение растягивающей силы N и момента в сечении кольца М известно: п.

N =^a, ql cosat.

1=1.

М = YS-b'm' sina/ ~ cosa/)'.

Л Ж ЛГ Л. 2 2 б откуда а} = —, а2 = —- N = 0, М = -а] q] +а2д2 =—с, 2 2 2л где с = а2- a? — разность радиусов опорных окружностей.

Угол поворота кольца определится как: ф r (M ru (fll.

EJX EJX 2nEJx V ' ' где E — модуль упругости,.

Jx — момент инерции сечения в направлении оси х.

Осадка кольца вдоль оси действия силы (перемещение точки приложения силы):

5 = (pc = r^L (4.10).

2nEJ,.

Напряжения в поперечном сечении кольца: г-У-? (4.11) X.

Учитывая конфигурацию исследуемой детали, расчет представляет собой сложную задачу. Целесообразно разбить сечение кольца на прямоугольные сечения и выполнить расчет для каждого из них. Для прямоугольных сечений расчеты существенно упрощаются. Принимая некоторые допущения, а также считая скругления и углы в сечении реальной детали пренебрежимо малыми, получим четыре прямоугольных сечения (рис. 4.4).

Для кольца прямоугольного сечения:

Р = яЕЬИ3 б дс лЬкг.

Наибольшие напряжения: тах = ±.

30с.

7±->К 3 7 у/л 4.

4.15).

4.16).

4.17).

Рис. 4.4. Расчетная схема с разбиением сечения кольца на элементарные прямоугольные сечения.

При у=0,5И действуют растягивающие напряжения, при у=-0,5Исжимающие напряжения.

Используя программу МаШСАО, получим возможность автоматизированного расчета и вывода графической зависимости угла деформации и осадки (то есть осевого перемещения) детали под действием силы резания и противодействующей ей силы закрепления. Полученный график показан на рис. 4.5. 1.

2 4 6 М.

Рис. 4.5. Зависимость угла деформации и осадки тонкостенного кольца под воздействием усилий резания и закрепления.

Приведенный график показывает, что угол деформации и перемещение (осадка) тонкостенного кольца находятся в линейной зависимости от воздействующих на технологическую систему сил — резания и закрепления.

4.3. Разработка рекомендаций по применению результатов исследования.

Теоретическое исследование технологического обеспечения точности обработки тонкостенных ступенчатых деталей показало, что на точность формы и выполняемых размеров оказывает влияние точность изготовления элементов технологической оснастки. Исследование напряженно-деформированного состояния кольца привело к выводу, что при минимальном количестве допущений и исходных данных нахождение перемещений является разрешимой задачей с применением методики расчета в прямоугольной системе координат.

1x10.

8x10.

— 9.

5х.

6x10.

4x10.

2x10.

— 9.

На основе теоретического исследования разработаны практические решения — усовершенствованная конструкция приспособления и методика неразрушающего контроля.

Результаты, полученные при проведении теоретических и экспериментальных исследований и приведенные в настоящей работе, могут быть использованы в двух направлениях:

1. При проектировании технологических процессов обработки деталей.

Использование предложенных методов расчета деформаций на стадии проектирования технологического процесса механической обработки деталей типа тонкостенных колец позволит компенсировать погрешности от упругих деформаций системы назначением соответствующих особенностей наладки.

2. При реализации технологического процесса обработки деталей.

Внедрение предложенной конструкции приспособления для закрепления кольцевой заготовки на шести секторах позволит избежать дополнительных погрешностей, которые возникают на стадии технологической подготовки производства. С использованием разработанной методики ультразвукового контроля значительно упростится настройка системы перед выполнением операции, т.к. данные неразрушающего контроля позволят оценить необходимость поднастройки в зависимости от наличия несплошностей контакта сопрягаемых поверхностей.

В качестве перспективных исследований в данном направлении следует отметить изучение технологического обеспечения точности обработки других типов тонкостенных деталей, применяемых в авиационных двигателях. Например, большой интерес представляют вопросы, связанные с обработкой тонкостенных крупногабаритных корпусов. Также перспективным направлением может стать установление возможности применения разработанных технологических решений при обработке деталей в других областях машиностроения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ современного состояния вопроса технологического обеспечения точности обработки тонкостенных деталей авиационных двигателей показал, что поиск новых технологических решений для достижения заданных параметров точности при обработке деталей типа ступенчатых колец является актуальной научной и производственной задачей. Аналитический обзор научно-технической литературы по данной тематике привел к выводу, что недостаточно изучены особенности технологического процесса обработки тонкостенных колец переменного сечения. Приводится недостаточно сведений, применимых для выбора методов и средств технологического оснащения производства этого класса деталей.

В соответствии с поставленной целью научного исследования, проведено теоретическое обоснование. Исследовано явление технологической наследственности и характер его проявления при обработке тонкостенных колец. Выявлено, что точность станочного приспособления оказывает существенное влияние на точность выполняемого размера и формы обработанной поверхности. Также обнаружено, что погрешности формы обработанной детали могут возникнуть и после ее снятия со станка вследствие упругого восстановления элементов технологической системы и технологического наследования признаков при реализации технологического процесса.

Разработана методика расчета, позволяющая определить перемещения и деформации кольца переменного сечения, с применением расчета полей перемещений в прямоугольной системе координат. Данная методика расчета позволяет путем последовательного определения перемещений в точках выделенной пространственной сетки найти искомое поле деформаций.

Разработан экспериментально-теоретический метод определения точности формы тонкостенных кольцевых деталей переменного сечения. Образцом для исследования является тонкостенное ступенчатое кольцо, входящее в наружный корпус двухконтурного турбореактивного авиационного двигателя. Характерная особенность детали — изменение жесткости от максимального до минимального значения пропорционально изменению толщины ступеней кольца.

Для установки заготовки при обработке используется приспособлениепланшайба с шестью опорными секторами и винтовым зажимным устройством. Перемещение секторов в радиальном направлении осуществляется при помощи элемента зажимного устройства с конусной поверхностью. Экспериментальные исследования показали, что погрешности базирования могут возникать вследствие несинхронного перемещения секторов. Для устранения этого неблагоприятного фактора предложено ввести контроль конусной поверхности. В качестве методов контроля предложено использовать пневматическое измерительное устройство либо ультразвуковой метод контроля с помощью разъемного эталонного кольца.

Ультразвуковая дефектоскопия является методом неразрушающего контроля, широко применяемым на моторостроительных предприятиях. На основе этого метода разработана методика контроля фактической опорной площади контакта посадочных поверхностей элементов приспособления и внутренней поверхности обрабатываемой заготовки. Разработанная методика позволяет при помощи ультразвукового дефектоскопа серийного изготовления с высокой точностью обнаруживать места, где контакта сектора планшайбы и обрабатываемой кольцевой заготовки имеет разрывы. Настройка дефектоскопа производится по эталону, представляющему собой соединение части детали и имитатора посадочного элемента приспособления.

Экспериментальные исследования показали, что применение разработанной методики неразрушающего контроля позволяет повысить точность формы и выполняемых размеров обрабатываемой кольцевой заготовки за счет дополнительной технологической наладки. Использование результатов экспериментальных исследований при обработке тонкостенных ступенчатых колец позволит повысить качество технологической подготовки производства путем усовершенствования контроля станочного приспособления и введения компенсирующей поднастройки технологической системы.

Разработана методика расчета величины погрешности формы тонкостенного кольца, а также получены зависимости угла поворота и осевого перемещения сечения кольца от усилий резания и закрепления.

Возможность применения полученных в ходе выполнения научного исследования результатов при изготовлении деталей авиационных двигателей подтверждена на Филиале «ОМО им. П.И.Баранова» ФГУП «НПЦ Газотурбостроения «Салют».