Определение технологических условий обработки резанием по заданному значению усталостной прочности деталей газотурбинных двигателей

В последнее время в развитии авиационного двигателестроения наметилась тенденция повышения надёжности ресурса двигателей при снижении себестоимости их изготовления. Одним из путей решения этой задачи является совершенствование технологии изготовления и обработки деталей, внедрение и разработка нетрадиционных методов изготовления, способов управления процессом технологической обработки и более эффективных и надёжных методов контроля качества изделий. Одной из ответственных деталей авиационных газотурбинных двигателей являются компрессорные диски. Их ресурс во многом определяет ресурс самого двигателя в целом. Анализ показал, что одной из причин досрочного съема двигателей с эксплуатации является образование усталостных трещин по полотну диска. Причиной этого является недостаточная усталостная прочность полотна диска после механической обработки.

Анализ типовых технологических процессов изготовления дисков показал, что основной операцией по обработке полотна диска является обработка резанием. Причём на ней не достигается требуемая усталостная прочность. Поэтому в технологический процесс дополнительно вводятся отделочные операции. К ним относятся полирование, нагартовка, турбо-абразивная обработка. Эти операции, не изменяя формы и точности детали, повышают значения характеристик поверхности. Тем самым увеличивается усталостная прочность диска.

При обработке дисков в процессе резания происходит изменение технологических условий обработки (колебание величины припуска, изменение физико-механических характеристик материала заготовки, износ инструмента, изменение скорости резания). Вследствие этого обработкой на постоянных режимах резания нельзя добиться постоянства эксплутаци-онных свойств повсей обработанной поверхности. Из-за этого усталостная прочность полотна диска будет недостаточной.

В настоящее время успешно развивается разработка систем адаптивного управления процессом резания с целью обеспечения постоянства показателей качества. Так под руководством профессора, д. т. н. Безъязычного В. Ф. успешно ведутся работы по разработке теоретических и экспериментальных основ создания адаптивных систем управления процессом резания с целью получения заданных значений характеристик поверхностного слоя. В основе алгоритма управления лежит принцип поддержания постоянства значения энергетического критерия, впервые предложенный академиком, д.т.н. Силиным С. С., в течение всего процесса резания. Постоянному значению критерия, А соответствуют постоянные значения характеристик поверхностного слоя.

Дальнейшим шагом по пути совершенствования адаптивных систем управления процессом резания является переход от обеспечения характеристик поверхностного слоя к обеспечению требуемой усталостной прочности. При этом адаптивное управление осуществляется таким образом, чтобы обеспечить постоянство усталостной прочности.

Однако такой переход сдерживается отсутствием теоретико-экспериментальных зависимостей, которые связывают характеристики усталостной прочности с энергетическим критерием процесса резания и режимами резания. Для этого необходимо также выяснить, какие из характеристик усталостной прочности целесообразно использовать для построения этих зависимостей. В настоящее время используются различные характеристики усталостной прочности. Среди них предел выносливости, долговечность, различные критерии повреж-дённости. Их общий недостаток в том, что значения этих характеристик при образовании усталостной трещины различно для различных материалов и технологических условий их обработки. Из-за этого для каждого материала необходимо получать свою зависимость характеристик усталостной прочности от энергетического критерия и режимов резания. Интересным является вывод и экспериментальное опробование универсального критерия усталостной прочности, значение которого в момент образования усталостной трещины не зависит от материала и технологических условий его обработки. Использование такого критерия позволяет получить зависимость энергетического критерия от критерия усталостной прочности в критериальном виде. То есть параметры такой зависимости постоянны для любого материала и технологических условий его обработки. Это во многом упрощает алгоритм работы системы адаптивного управления.

В производственной практике имеется необходимость в разработке простого и нераз-рушающего метода контроля усталостной прочности материала после механической обработки. Применяемые в технологическом процессе изготовления диска методы неразрушаю-щего контроля позволяют выявить лишь такие явные дефекты, как трещины, несплошности материала, неоднородность структуры. Однако, они не позволяют оценить усталостную прочность материала поверхностного слоя деталей.

Существующие методы контроля характеристик усталостной прочности являются разрушающими и требуют больших временных и материальных затрат. Кроме этого, они не позволяют осуществить 100% контроль. Это существенно снижает достоверность контроля, заведомо бракованные детали не исключаются своевременно из технологического процесса. Сам же брак выявляется, как правило, в процессе испытания или даже эксплуатации готового двигателя. Поэтому актуальной является задача разработки универсального, простого, нераз-рушающего метода контроля усталостной прочности.

Получение зависимостей между характеристиками усталостной прочности и энергетическим критерием процесса резания, а также между характеристиками усталостной прочности и режимами механической обработки и разработка методики контроля усталостной прочности связано с проведением усталостных испытаний образцов из различных материалов, предварительно подвергнутых обработке резанием. В процессе обработки резанием рассчитывается критерий А, а в процессе усталостных испытаний определяются значения характеристик усталостной прочности, соответствующие заданному значению критерия А.

Однако предварительно необходимо знать, какие механические характеристики необходимо использовать в качестве критериев усталостной прочности. В качестве таковых целесообразно использовать механические характеристики, чувствительные к процессу накопления повреждений при усталости. К ним можно отнести модуль нормальной упругости и величину внутреннего трения, а также ряд механических характеристик: предел текучести, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, микротвёрдость. Для формирования критериев усталостной прочности необходимо исследовать структурные изменения в материале при усталости и выявить характер зависимости этих характеристик от структурных изменений.

Цель работыисследовать закономерности усталостного разрушения и на основе этого разработать методику обеспечения и оценки усталостной прочности деталей ГТД при механической обработке. Задачи работы: выявить критерии усталостной прочностиразработать методику исследования закономерностей усталостного разрушения с применением характеристик, чувствительных к процессу накопления поврежденийполучить универсальный критерий повреж-дённости материала при усталостиполучить зависимости критериев усталостной прочности от критериев процесса резания и режимов резаниясформировать методику нёразрушающей оценки усталостной прочности деталей после обработки резанием.

Научная новизна работы: установлены закономерности усталостного разрушенияполучен универсальный критерий повреждённости, который позволил сформировать методику оценки усталостной прочностипоказана возможность адаптивного управления процессом резания по усталостной прочности посредством поддержания постоянного значения энергетического критерия процесса резания в течение всего процесса обработки.

Практическая новизна работы: на основе результатов работы разработана методика назначения режимов механической обработки и с учётом оценки усталостной прочности деталей ГТД после обработки резанием.

Апробация работы: результаты работы доложены на: международной конференции «Современные проблемы машиноведения» — Гомель, 1996; «Машиностроение — 96» — Новгород, 1996; «Автоматизированные и механотронные системы в машиностроении» — Уфа, 1997; а также на научных семинарах кафедры. По результатам работы опубликовано шесть печатных работ.

Основное содержание глав работы. В первой главе даётся обзор литературы по состоянию вопроса. Показана необходимость и возможность повышения усталостной прочности полотна диска при обработке резанием, посредством применения адаптивной системы управления процессом резания. В качестве критерия, по изменению которого судят о протекании процесса резания, целесообразно использовать энергетический критерий А. Анализ литературы показал, что в настоящее время отсутствуют необходимые теоретико-экспериментальные зависимости между критериями усталостной прочности и энергетическим критерием процесса резания А.

Анализ литературы также показал, что в настоящее время применяются различные критерии усталостной прочности. Их общим недостатком является то, что они при образовании усталостной трещины принимают различные значения в зависимости от вида материала и технологических условий его обработки. Применение универсальных критериев усталостной прочности (значение которых при образовании усталостной трещины не зависит от вида материала и его технологической обработки) позволяет получить зависимость между ними и критерием, А в критериальном виде. Однако, как показал анализ литературы, в настоящее время отсутствуют универсальные критерии усталостной прочности, которые бы определялись неразрушающими, простыми методами измерений.

Исходя из этого, были сделаны выводы, которые и определили направление дальнейшей работы.

Во второй главе описаны экспериментальные установки и методики измерений, которые были использованы автором привыполнении работы. Это: установка для проведения усталостных испытаний с одновременным измерением модуля нормальной упругости и величины внутреннего трения, установка и методика измерения основных механических характеристик материала поверхностного слоя методом непрерывного вдавливания индентора. Описан метод расчета напряжений при вынужденных поперечных колебаниях образцов переменного сечения.

В третьей главе описаны результаты испытания материалов на усталость с одновременным измерением модуля нормальной упругости и величины внутреннего трения. Для испытаний была выбрана достаточно широкая гамма материалов. Испытания позволили выявить, основные закономерности изменения модуля упругости и внутреннего трения. Это в свою очередь совместно с уравнением распределения напряжений позволило рассчитать относительное изменение модуля нормальной упругости для места образования усталостной трещины. Для всех исследованных материалов оно составило около 30%. Прямые измерения модуля упругости подтвердили правильность рассчитанного значения относительного изменения модуля и показали правильность методики его расчёта.

Проведённые измерения основных механических характеристик материала поверхностного слоя (временного сопротивления разрыву, предела текучести, относительного удлинения, микротвёрдости) у образцов подвергнутых циклированию различной длительности показали качественное сходство изменений этих характеристик у всех исследованных материалов. Это позволило сделать вывод о том, что процесс накопления усталостной повреж-дённости контролируется дислокационным механизмом независимо от вида металлического материала.

В четвёртой главе описаны результаты испытания на усталость образцов, предварительно подвергнутых обработке резанием, и получены зависимости между энергетическим критерием процесса резания и пределом выносливости, а также, между энергетическим критерием процесса резания и универсальным критерием повреждённости. В главе приведена методика вывода упрощённой формулы для расчёта энергетического критерия процесса резания по режимам механической обработки. Эти формулы позволили получить окончательные зависимости между характеристиками усталостной прочности и режимами механической обработки. В главе приведена методика расчёта технологических условий обработки резанием, исходя из заданных характеристик усталостной прочности.

Это позволило сформировать методику обеспечения усталостной прочности при обработке резанием. Она включает в себя:

10 на стадии технологического проектирования — расчёт режимов резания и технологических условий обработки, исходя из требуемых значений характеристик усталостной прочности, на стадии изготовления — обработка с применением адаптивной системы управления процессом резания по заданному значению характеристик усталостной прочностиэто позволяет достичь постоянных значений этих характеристик, несмотря на изменение технологических условий в процессе резания, на стадии контроля — оценка предела выносливости простым, неразрушающим методом контроляэто позволяет своевременно исключить диски с низкими значениями характеристик усталостной прочности. ' Проведённая апробация методики показала её пригодность для использования при решении практических задач.

1. СВЕДЕНИЯ О СТОСТОЯНИИ ДЕЛ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ. ДЕФЕКТЫ ПОЛОТНА ДИСКА КОМПРЕССОРА И РЕЗЕРВЫ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ПОЛОТНА.

ДИСКА КОПРЕССОРА.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Выполненный анализ литературы показал, что для построения методики обеспечения требуемой усталостной прочности невозможно без исследования структурных изменений, происходящих в материале при усталости.

Для исследования закономерностей усталостного разрушения необходимо использовать характеристики, чувствительные к процессу накопления повреждений при усталости. Анализ показал, что в качестве таковых могут быть использованы внутреннее трение и модуль нормальной упругости материала, а также традиционные механические характеристики: временное сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение и микротвёрдость. Для исследования характера изменения этих характеристик в процессе накопления усталостной повреждённости автором создана установка для выполнения усталостных испытаний с одновременным измерением упругих и релаксационных характеристик материалов. Разработана методика измерения механических характеристик материала поверхностного слоя (временного сопротивления разрыву, предела текучести и относительного удлинения).

Испытания на усталость образцов с одновременным измерением упругих и релаксационных характеристик позволили выявить общие закономерности изменения модуля нормальной упругости и величины внутреннего трения, которые качественно не зависят от вида материала и характера его технологической обработки.

Выявлено, что обнаруженные при испытаниях закономерности изменения внутреннего трения и модуля нормальной упругости обусловлено тремя механизмами изменения дислокационной структуры материала образцов. Установлено, что к образованию трещины приводят лишь необратимые изменения дислокационной с труктуры материала образцов.

На основе анализа закономерностей изменения внутреннего трения и модуля нормальной упругости материала образцов введён ряд величин, характеризующих протекание процесса накопления повреждений при усталости: фактический предел текучести, величина объёма, в котором происходят необратимые изменения дислокационной структуры материала образцаа также выявить универсальный критерий повреждённости. В качестве его принята величина изменения модуля нормальной упругости материала, определённая для места образования усталостной трещины.

Величина универсального критерия повреждённости не зависит от вида материала и его технологической обработки. Причём величину критерия можно определять как расчётным путём, так и прямыми измерениями методом непрерывного вдавливания индентора на комплексе МТИЗм. Обнаружено, что величина критерия повреждённости коррелирует с величиной предела выносливости. На основе этого автором разработана методика оценки величины предела выносливости. Показана возможность расчёта технологических условий обработки резанием по заданному значению предела выносливости и управления процессом резания по заданному значению предела выносливости. На основе этого была сформирована методика обеспечения заданной усталостной прочности при обработке резанием полотна диска компрессора ГТД, которая включает в себя: на стадии технологического проектирования — расчётом режимов резания и технологических условий обработки, исходя из требуемых значений характеристик усталостной прочности,.

— на стадии изготовления — обработка с применением адаптивной системы управления процессом резания по заданному значению характеристик усталостной прочностиэто позволяет достичь постоянных значений этих характеристик, несмотря на изменение технологических условий в процессе резания,.

— на стадии контроля — оценка предела выносливости простым, неразрушающим методом контроляэто позволяет своевременно исключить диски с низкими значениями характеристик усталостной прочности.

0. Апробация методики на модельных образцах показала, что:

— при механической обработке образцов на режимах, рассчитанных по авторской методике, достигается более высокое значение предела выносливости и меньшее его рассеивание по сравнению с механической обработкой на заводских режимах,.

— результаты оценки предела выносливости по методике, предложенной автором, совпадают с результатами определения предебла выносливости по методу ступенчатого на-гружения.