Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
?
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
Багмет Марія Миколаївна
УДК 621.793.7
Розробка комплексних технологій, які підвищують життєвий цикл деталей та вузлів авіаційних двигунів
Спеціальність 05.07.04 –
“Технологія виробництва літальних апаратів”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Долматов Анатолій Іванович, завідуючий кафедрою технології виробництва двигунів літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Качан Олексій Якович, заступник головного технолога ВАТ “Мотор Січ” Міністерства промислової політики України (м. Запоріжжя);
кандидат технічних наук, професор Фадєєв Валерій Андрійович, головний інженер ДП Харківський машинобудівний завод Науково-виробнича корпорація “ФЕД” Міністерства промислової політики України.
Провідна установа: ДП “Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування” Міністерства промислової політики України
Захист відбудеться 16.05. 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”
Автореферат розісланий 15.04. 2003 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
професор _______________ Г. Л. Корнілов
Актуальність теми. Інтенсифікація робочих процесів, збільшення інтенсивності і масштабів використання авіаційної техніки, ріст конструктивної складності і вартості авіаційних двигунів вимагає високої надійності і довговічності їх деталей і вузлів. За умов сьогодення більша увага приділяється питанням підвищення експлуатаційних характеристик (надійності, довговічності, втомній міцності, повзучості, тривалій міцності, тертю і зносу, корозії, ерозії та ін.) деталей і вузлів авіаційних двигунів технологічними методами, оскільки підвищення життєвого циклу деталей прямо залежить від їх експлуатаційних характеристик і можливості їхнього поліпшення. Основні показники експлуатаційних характеристик істотно залежать від застосованих технологій виготовлення заготовок, технологій попередньої і фінішної обробки деталей, зміцнюючих технологій і технологій складання.
Наявні дані дозволяють зробити висновок, що підвищення експлуатаційних характеристик (довговічності, ресурсу, надійності та ін.) деталей і вузлів авіаційних двигунів, а, отже, їх життєвого циклу, можна добитися застосуванням різних технологій їх поверхневої обробки, таких, як нанесення спеціальних покриттів, зміцнення і модифікація робочих поверхонь деталей, а також підбором методів обробки.
Експлуатаційні характеристики деталей і вузлів авіаційних двигунів істотно залежать від характеристик якості поверхні і приповерхнього шару. Сучасні методи підвищення експлуатаційних характеристик деталей базуються на підвищенні якості поверхневого шару, включаючи такі характеристики, як залишкові напруження, шорсткість, мікротвердість, наклеп і т.п.
Для формування геометричних і фізико-механічних показників поверхневого шару, точності розмірів і геометричних форм і, отже, стабільності експлуатаційних характеристик після нанесення покриттів проводиться їх подальша обробка. За умов сьогодення для забезпечення потрібної якості покриттів використовують фінішні методи обробки деталей з захисними покриттями (шліфування, полірування, вигладжування, лезова обробка). Вивченню методів обробки деталей присвячені роботи Рижова Е.В., Кліменка С.А., Шальнова В.А., Маслова Є.Н., Панькова Л.А., Костина М.В., Верезуба В.М., Мітревича К.С. та ін.
Треба відзначити, що найбільш досконалі в експлуатаційному відношенні матеріали покриттів, як правило, мають істотно високі фізико-механічні властивості, що істотно впливає на складність обробки деталей з такими покриттями. У звязку з наявністю недоліків методів обробки покриттів виникає необхідність не тільки удосконалення існуючих методів обробки, але і розробки нових перспективних методів обробки газотермічних покриттів.
Специфіка обробляємих деталей (лопатки авіаційних двигунів) потребує розробки спеціальних фінішних методів, одним з яких є магнітно-абразивна обробка. Магнітно-абразивна обробка дозволяє сформувати необхідні фізико-механічні і геометричні характеристики поверхневого шару деталей, при цьому підвищив їх життєвий цикл.
Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Робота виконана згідно з програмою Міністерства науки та освіти України “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” у рамках плану НД і ДКР Національного аерокосмічного університету “ХАІ”, а також є складовою частиною спільних НД і ДКР Національного аерокосмічного університету “ХАІ” і ВАТ “Мотор Січ”, спрямованих на вирішення проблеми підвищення експлуатаційних характеристик деталей авіадвигунів.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вирішення найважливішої народногосподарської задачі підвищення життєвого циклу деталей і вузлів авіаційних двигунів шляхом створення технологічних методів, які формують фізико-механічні і геометричні характеристики поверхневого шару лопаток газотурбінних двигунів.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- класифікувати фінішні методи обробки деталей авіаційних двигунів, що дозволяють підвищити життєвий цикл деталей і вузлів;
- дослідити вплив покриттів, що наносяться на деталі авіаційних двигунів на показники експлуатаційних характеристик деталей і вузлів авіаційних двигунів;
- розробити математичну модель магнітно-абразивної обробки;
- розробити методики для визначення основних параметрів магнітно-абразивної обробки;
- експериментально дослідити процес фінішної обробки (магнітно-абразивної обробки) деталей з нанесеними покриттями і без покриттів і порівняння його з іншими методами;
- розробити і упровадити технологічні рекомендації фінішної магнітно-абразивної обробки.
Об’єкт дослідження – типові представники лопаток газотурбінних двигунів з титанових сплавів, а також фінішні операції магнітно-абразивного полірування.
Предмет дослідження –установлення закономірностей формування параметрів якості (шорсткості і фізико-механічних властивостей) поверхневих шарів, які дозволяють подовжити життєвий цикл деталей.
Методи дослідження. Виконані дослідження базуються на загальних порівняннях механіки суцільних середовищ, теорії математичної статистики, теорії малих пружнопластичних деформацій. Рішення поставлених задач реалізовано на ПЕВМ. Достовірність отриманих результатів розроблених методик підтверджується результатами експериментальних досліджень: енергосилових параметрів процесу магнітно-абразивної обробки, залишкових напружень у покриттях, впливу магнітно-абразивного полірування на шорсткість, фізико-механічні і геометричні характеристики поверхневого шару лопаток з титанових сплавів з покриттями і без них і порівняння його з іншими методами, втомної міцності і залишкових напружень лопаток після полірування, а також продуктивності процесу.
Наукова новизна.
1. Уперше на основі системного аналізу деформування під час магнітно-абразивної обробки здійснено системний науковий підхід, що ураховує особливості формування поверхневого шару під час взаємодії абразивних зерен з поверхнею, яка полірується.
. Експериментально встановлено вплив енергосилових параметрів на якість поверхні, яка обробляється (шорсткості, величини максимального деформування і роботи деформування от величини зерна).
. Розроблено математичну модель, що дозволяє отримати аналітичні залежності, які звязують параметри процесу з параметрами якості.
. Розроблено математичну модель процесу магнітно-абразивної обробки на основі залежностей взаємодії зерна з безконечною на півплощиною, яка ураховує реальну площадку контакту інструмента і деталі в усталеному режимі магнітно-абразивної обробки.
. Теоретично виявлено і експериментально обґрунтовано механізм впливу технологічних параметрів, що визначають експлуатаційні характеристики поверхні деталі.
Практичне значення отриманих результатів. Результати теоретичних і експериментальних досліджень сприяють удосконаленню існуючих і створенню нових технологій, в том числі і комплексних, які підвищують життєвий цикл деталей і вузлів авіаційних двигунів шляхом формування фізико-механічних характеристик їх поверхневого шару. Аналіз існуючих фінішних технологій, а також теоретичні дослідження механізму формування поверхневого шару деталей під дією магнітно-абразивного інструмента дозволили розробити і запропонувати у якості технології фінішної обробки деталей авіаційних двигунів магнітно-абразивне полірування. Розроблена методика розрахунку деформування матеріалу зернами магнітно-абразивного порошку дозволяє прогнозувати величину зміцненого шару оброблюваного матеріалу, враховуючи його механічні властивості, тим самим, керуючи їхніми експлуатаційними властивостями, а також у виробничих умовах варіювати технологічними параметрами обробки.
Використання даних у роботі рекомендацій з розробки технологічних процесів виготовлення лопаток дозволяє ліквідувати ручні операції полірування, округлення кромок і зняття заусенців і підвищити їх життєвий цикл шляхом поліпшення фізико-механічних показників якості поверхневого шару.
Економічний доход від упровадження результатів досліджень на ВАТ “Мотор Січ”склав 150,5 тис. гривень у рік.
Особистий внесок здобувача. Основна частина наукових і технологічних розробок, теоретичних і експериментальних досліджень належить автору. Усі основні результати теоретичних і експериментальних досліджень автором повністю опубліковані. Під час створення технології магнітно-абразивного полірування автор брав участь у відпрацюванні технологічних характеристик, що забезпечують необхідні параметри якості.
Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції "Інженерія поверхні і реновація виробів" (29-31 травня 2001р., м. Феодосія), на Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні матеріали, технології, обладнання й інструмент у машино- і приладобудуванні" (Київ, 21-22 серпня 2001р.), на Десятій Міжнародній конференції "Нові передові технології в машинобудуванні" (Рибаче, 2-6 вересня 2001р.), на Другій Міжнародній науково-технічній конференції "Інженерія поверхні і реновація виробів" (28-30 травня 2002 р., м. Ялта).
Публікації. Основні матеріали роботи опубліковані в 8 наукових статтях.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Викладена на ____ сторінках, що включають ____ сторінок основного тексту, містить ___ таблиці, ____ малюнків, список використаних джерел з ____ найменувань.
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і представлена загальна характеристика роботи.
У першому розділі проаналізовані різні технології виготовлення заготовок, технології фінішної обробки деталей, зміцнюючої обробки деталей і вузлів авіаційних двигунів, включаючи нанесення на них покриттів, комбіновані технології з використанням ультразвуку, вібрацій, а також комплексні технології на основі цих методів. В області виготовлення заготовок розглядається не тільки підвищення якості самих заготовок, але і технологічного оснащення для їх виготовлення.
В звязку з тим, що сучасні методи підвищення експлуатаційних характеристик деталей, а, отже, і їх життєвого циклу базуються на підвищенні якості поверхневого шару, було досліджено вплив різних технологій на якість поверхневого шару деталей авіаційних двигунів, включаючи такі характеристики, як залишкові напруження, шорсткість, мікротвердість, наклеп, глибина зміцненого шару. Обґрунтовано показано, що підвищення експлуатаційних характеристик (довговічності, ресурсу, надійності та ін.) деталей і вузлів авіадвигунів можна добитися застосуванням різних технологій їх поверхневої обробки, таких як нанесення спеціальних покриттів, зміцнення і модифікація робочих поверхонь деталей, а також застосуванням комплексних технологій на основі цих методів.
Газотермічні покриття широко застосовуються в авіадвигунобудуванні.
Розглянута класифікація методів газотермічного нанесення покриттів за енергетичною ознакою. Були проаналізовані достоїнства і недоліки кожного методу (газополумяний, плазмений, детонаційний, іоно-плазмений, електроіскровий, високочастотний). Розроблено класифікацію застосованих покриттів за функціональним призначенням, у якій приведені дані про методи нанесення покриттів, марках порошків, їх складі, властивостях, а також областях їхнього застосування. В результаті аналізу виявлена перевага детонаційного методу нанесення покриттів по міцності зчеплення, щільності й області застосування.
Далі дано аналіз методів обробки покриттів, що дозволяє зробити висновок, що в даний час створені різні способи обробки нанесених покриттів, які мають свої достоїнства і недоліки. У кожному конкретному випадку, в залежності від необхідних експлуатаційних характеристик і конкретного виду покриття, можна використовувати той чи інший спосіб обробки. У звязку з наявністю недоліків методів обробки покриттів виникає необхідність не тільки удосконалення існуючих методів обробки, але і розробки нових перспективних методів обробки газотермічних покриттів.
У другому розділі проведені теоретичні дослідження механізму формування поверхневого шару деталей під дією магнітно-абразивного інструмента.
Зняття припуску при магнітно-абразивному поліруванні (МАП) здійснюється в результаті абразивного різання, пластичного вигладжування поверхні, зняття хімічних плівок, що утворюються.
На кожне феромагнітне зерно магнітно-абразивного порошку (МАп) діє результуюча сила
і момент
,
де - сила магнітного притягання; - момент магнітних сил, що орієнтує зерно в магнітному полі; - сила, яка виникає від дії на зерно, яке не має свободи повороту; и - електромагнітні сили, які виникають під час руху зерна в магнітному полі чи при пульсаціях магнітного полю; и - сили інерційні та відцентрові, які виникають під час прискореного руху зерна чи під час обертання разом з полюсами індуктора; - сила ваги; и - нормальні сили і сили тертя в контактах зерна з оточуючими зернами; - сила тертя в контакті зерна зі заготовкою чи індуктором; , , - плечі діючих моментів.
Визначальною силою при МАП є сила магнітного притягання, що виникає між зернами порошку, як між собою так і щодо поверхні заготовки.
На кожне окреме зерно в магнітному полі діє сила
,
де - індукція в робочої зоні; - магнітна постійна.
Проведено моделювання і розрахунок пружнопластичного деформування при МАП, використовуючи теорію малих пружнопластичних деформацій.
На процес МАП впливає велика кількість факторів, тому розрахунок параметрів обробки представляє складність. Дослідження проводилося при наступних допущеннях: зерна мають однакову сферичну форму; абразивна фракція в зернах розміщена таким чином, що вони ізотропні; зерна нестисливі, жорсткі; співвідношення розмірів реальних зерен та оброблюваних деталей дозволяє розглядати робочий зазор як плоский.
Враховуючи визначені допущення, як модель, що пояснює процес контакту зерна з поверхнею, пропонується розглядати вдавлення твердої кульки. Вибір моделі зерен у виді кулі пов'язаний не тільки з метою спрощення розрахунку. Відомо, що максимальна чистота поверхні зразків і їх мінімальна шорсткість забезпечуються при використанні порошку, форма часток якого наближається до сферичної.
Визначається величина відбитка (шару, що деформується) і закону розподілу навантаження під зерном. Відомими параметрами є навантаження, що діє на зерно по нормалі до поверхні, яка оброблюється, і розміри зерен порошку. Якщо до кулі прикласти навантаження, яке є нормальним до граничної площини і проходить через його центр, відбувається вдавлення кулі в поверхню.
Площа контакту кулі з деформованою поверхнею становить в плані коло радіусом а. Очевидно, епюра тиску під кулею становить фігуру, симетричну щодо осі, яка збігає із силою, що діє на кулю.
Визначимо прогин якої-небудь точки С площини, що лежить у межах площадки контакту (рис. 1). Вплив на прогин точки С всіх елементарних тисків із усієї площадки контакту кулі і матеріалу, що деформується
, (1)
де - коефіцієнт, що враховує властивості матеріалу, що обробляється.
З рис. 1 і рис. 2 виходить, що , (2)
де - опускання кулі (прогин матеріалу) у центрі; - первісний зазор між кулею і граничною площиною.
|
Рис. 1. Схема вдавлення кулі в напівпростір |
Рис. 2. Завантаження півпростору по “напівкулі” |
Умова, що поверхня відбитка під кулею представляє частину поверхні цієї кулі:
, (3)
де .
. (4)
“Зворотна” задача, тобто відоме навантаження (задана по “напівкулі”), а визначається характер прогину граничної площини
. (5)
Після інтегрування одержуємо . (6)
На підставі подібності правих частин (4) і (6), отриманих при рішенні “прямої” і “зворотної” задач, можна зробити висновок, що епюра розподілу тиску по площі контакту становить напівкулю.
Основні розрахункові залежності:
, , ,
де а і 0 –розміри відбитка, відповідно радіус і глибина відбитка; g0 –інтенсивність навантаження; Р –навантаження на зерно, спрямоване по нормалі до поверхні, що обробляється. На підставі розробленої методики побудовано алгоритм розрахунку і отримані залежності величини відбитка (а, ) і розподіл інтенсивності навантаження (g) в залежності від розміру зерен і тиску, що діє на зерно по нормалі до оброблюваної поверхні для сталі, алюмінію і титана. Розглядався діапазон розмірів зерен 50 … 350 мкм. Найбільш інтенсивний ріст відбувається зернами з розмірами 50…160 мкм. Причому, він більш виражений при тиску 0,013...0,05 МПа, що відповідає магнітної індукції 0,65...1,2 Тл.
Визначалися енергетичні параметри процесу. Робота деформування зростає з використанням зерен більшого діаметра при постійному тиску. Досліджуючи залежності роботи деформування від величини зерна можна зробити висновок, що для обробки алюмінію найбільш ефективно використовувати зерна діаметром 50...150 мкм, для сталі і титана –…100 мкм. При цьому буде витрачено набагато менше енергії на деформування матеріалу, ніж при використанні зерен більшого діаметра.
Запропонована методика розрахунку дозволяє прогнозувати величину зміцненого шару матеріалу і варіювати технологічними параметрами (розміром зерен, магнітною індукцією).
У третьому розділі досліджувалися технологічні процеси, що чинять вплив на збільшення життєвого циклу деталей і вузлів авіаційних двигунів. Перед нанесенням покриттів поверхні підлягають попередній обробці. Були проаналізовані різні способи попередньої обробки поверхонь. На підставі запропонованої таблиці, у якій розглянуті способи підготовки металевих поверхонь перед нанесенням покриттів, а також міститься інформація про цілі, засоби і режими попередньої обробки поверхонь, можна підібрати оптимальний метод підготовки поверхні під нанесення покриття, що дозволяє одержати високу міцність зчеплення покриття й основного матеріалу. При підготовці поверхні рекомендується вибирати методи, коли підкладка знаходиться в активному стані як можна більш тривалий час (наприклад, метод обдування кульками і електрокорундом). Усунення дефектного поверхневого шару, поверхневих плівок і сторонніх включень, а також ретельне очищення поверхні від усіх видів забруднень забезпечує одержання міцно зчеплених покриттів.
В звязку з тим, що, підвищення експлуатаційних характеристик деталей авіаційних двигунів, а, отже, і їх життєвого циклу істотно залежать від характеристик якості поверхні і приповерхнього шару, на які дуже впливає фінішна обробка, то в розділі розглядалися деякі особливості обробки деталей з покриттями. При лезовій обробці покриттів рекомендується вести процес різання так, щоб з поверхні деталі усувався шар покриття з меншою мікротвердістю, і до обробленої поверхні примикали шари покриття з підвищеними механічними властивостями. Шляхом алмазного вигладжування покриттів можна змінити розтягуючі напруження, що виникають після нанесення покриттів, на стискаючі, котрі поширюються не тільки на покриття, але і на визначену глибину підкладки, що підвищує втомну міцність. У процесі шліфування деталей з покриттям необхідно забезпечити необхідну їх точність, бездефектність поверхневого шару, найбільшу продуктивність.
Механічна обробка майже всіх покриттів здійснюється із застосуванням мастильно-охолоджуючих рідин (МОР). Тому аналізувався вплив МОР на процес шліфування. Приведено рекомендовані склади МОР для шліфування кераміки і твердих сплавів. Деталі з титанових сплавів рекомендується шліфувати із МОР складу (%): калій фосфорнокислий трьохзаміщений (хімічно чистий) –-5; гексаметафосфат натрію –,5-1,0; сода кальцинована –,2-0,3; інше –вода. Для жароміцних сплавів (наприклад, ЖС6 і ХН77ТЮР) рекомендується використання рідин на основі олії і гасу.
Експлуатаційні характеристики зносостійких покриттів, міцність напиленого покриття і його зчеплення з підкладкою у значної мірі залежать від залишкових напружень, що існують у них, тому в розділі було досліджено напружено-деформований стан в газотермічних покриттях (плазменних і детонаційних) до і після фінішної обробки.
Були побудовані графіки розподілу залишкових напружень у покриттях (наприклад, рис. 3).
У четвертому розділі проведена розробка технології фінішної обробки деталей авіаційних двигунів. Була обрана магнітно-абразивна обробка в зв'язку зі специфікою і конструктивними особливостями деталей, що обробляються (лопатки авіаційних двигунів).
Сутність магнітно-абразивної обробки (МАО) у залежності від оброблюваного середовища являє собою механічне чи механохімічне знімання металу і його окислів з поверхні оброблюваних деталей, а також згладжування мікронерівностей шляхом їх пластичного деформування зернами магнітно-абразивного порошку, що під впливом магнітного поля формуються в різальний інструмент.
У розділі досліджені фізико-механічні властивості поверхневого шару титанових сплавів (мікротвердість, зносостійкість) після магнітно-абразивного полірування. Мікротвердість зразків після МАП більше, ніж шліфованих зразків при однаковій глибині (наприклад, при h = 2 мкм після МАП Н= 308 дан/мм, після шліфування Н= 280 дан/мм), також підвищується зносостійкість. З аналізу отриманих результатів можна зробити висновок, що МАП підвищує експлуатаційні характеристики поверхневого шару титанових сплавів.
|
Рис. 3. Залежність величини залишкових напружень у поверхневих шарах лопаток зі сплаву ЭИ-437Б від способу обробки поверхні: –для необробленої; –для підданої струйно-абразивній обробці; - для підданої струйно-абразивній обробці і детонаційному напиленню; –для підданої детонаційному напиленню |
Досліджувався вплив МАП на шорсткість поверхні, були побудовані залежності шорсткості від швидкості різання, швидкості обертання зразка і від величини магнітної індукції. Можна зробити наступні висновки: збільшення швидкості різання веде до збільшення шорсткості; при збільшенні швидкості обертання зразка величина шорсткості інтенсивно знижується; графік зміни магнітної індукції носить екстремальний характер, тобто при визначеному значенні магнітної індукції зниження шорсткості припиняється, і вона починає зростати.
Досліджувався вплив магнітно-абразивних порошків на ефективність МАП титанових сплавів. Установлено магнітно-абразивний матеріал, при використанні якого процес МАП найбільш продуктивний. Як порошок застосовані матеріали: 23AM40Fe80 фракції 315/160 і 23AM40Fe80 фракції 160/100.
У розділі було досліджено вплив магнітно-абразивного полірування на шорсткість, профіль пера компресорних лопаток і продуктивність процесу. Об'єктом досліджень були лопатки 6-го ступеня компресора зі сплаву ВТ8. Було встановлено, що в процесі МАП відбувається безрозмірна обробка корита і спинки і формуються радіуси округлення кромок пера лопатки.
У результаті МАП шорсткість пера знижується і досягає середніх значень Ra = 0,35...0,50 мкм.
Дослідження продуктивності процесу МАП титанових лопаток показали, що процес у кільцевій робочій зоні високопродуктивний, мається можливість обробки одночасно декількох деталей, результати обробки стабільні. Спостерігається загасання процесу МАП при тривалому часі обробки, що пов'язане зі зниженням властивостей порції порошку, зміною властивостей поверхні заготовки по мірі усунення вихідного дефектного шару (зміцнення поверхні), часткове викидання зерен порошку з робочого зазору.
Під час досліджень на втомну міцність найбільш довговічними виявилися лопатки, які піддавалися тривалішій обробці і які мають меншу масу.
Досліджувалися залишкові напруження в лопатках після обробки МАП. У процесі обробки формуються залишкові напруги стиску, величина яких у середньому складає 660...825 МПа. При сполученні процесів МАП і зміцнення поверхневого шару кульками на всіх режимах обробки зафіксовано збільшення стискаючих залишкових напружень. Причому досягнуті необхідні параметри шорсткості (Ra = 0,35...0,50 мкм) і закруглення кромок. Найбільш ефективне застосування суміші з магнітно-абразивного порошку і феромагнітних тіл у процентному складі 10...30 за обсягом останніх.
Проведено порівняння магнітно-абразивної обробки з іншими способами обробки за результатами досліджень якості поверхневого шару оброблених зразків.
Проведено магнітно-абразивне полірування компресорних лопаток 1-го и 6-го ступенів двигуна Д136 з покриттями ВН-20, ВК-25 на режимах: В = 1,2-1,4 Тл, Vp= 2,0-3,5 м/с, t = 35-40 с; В = 1,0-1,2 Тл, Vp= 1,5-3,0 м/с, t = 30-35 с. Усі якісні і експлуатаційні характеристики деталей з покриттями, фізико-механічні властивості поверхневого шару деталей, які оброблялись МАО, відповідають результатам досліджень, які проведені в даної роботі.
На підставі проведених досліджень у розділі представлені технологічні процеси виготовлення лопаток авіаційних двигунів з використанням магнітно-абразивного полірування. Застосування МАП дозволило механізувати ручні операції, скоротити їх обсяг з 50% до 10%, поліпшити якість, фізико-механічні властивості поверхневого шару деталей.
Висновки
1. У дисертації приведене рішення найважливішої народногосподарської задачі підвищення життєвого циклу деталей і вузлів авіаційних двигунів, що полягає в створенні технологічних методів, які формують фізико-механічні і геометричні характеристики поверхневого шару лопаток газотурбінних двигунів.
2. Проведено аналіз технологічних методів, що дозволяють підвищити життєвий цикл деталей і вузлів авіаційних двигунів.
3. Обґрунтовано вибір детонаційного методу нанесення покриттів для підвищення життєвого циклу і відновлення турбінних і компресорних лопаток і інших деталей авіаційних двигунів, що працюють в умовах високих температур і екстремальних навантажень. При нанесенні захисних покриттів застосовуються матеріали: нікелеві сплави, NiCr, CrC, CrC-NiCr, WC, AlO, CrO, ZrО, ZrO, композиційні порошки, як (Co)-(WC), механічні суміші WC+Co і ін.
4. Проведено аналіз і надані порівняльні характеристики методів обробки покриттів. Використані методи обробки покриттів не виключають появи на поверхні дефектів, а також дефектного шару, що знижують експлуатаційні характеристики покриттів і деталей та їх життєвий цикл. У зв'язку з наявністю недоліків методів обробки покриттів виникає необхідність не тільки удосконалення існуючих методів обробки, але і розробки нових перспективних методів обробки покриттів, як фінішна обробка покриттів обрана магнітно-абразивна обробка, що пов'язане зі специфікою і конструктивними особливостями деталей, які оброблюються (лопатки авіаційних двигунів).
5. Досліджено технологічні параметри (зносостійкість, мікротвердість, шорсткість) титанових сплавів при їх магнітно-абразивному поліруванні. Мікротвердість зразків після МАП більше, ніж шліфованих зразків при однаковій глибині (наприклад, при h = 2 мкм після МАП Н= 308 дан/мм, після шліфування Н= 280 дан/мм). Також досліджувався вплив різних магнітно-абразивних матеріалів на продуктивність обробки і шорсткість поверхонь. Установлено магнітно-абразивний матеріал, при використанні якого процес МАП найбільш продуктивний. Як порошок застосовані матеріали: 23AM40Fe80 фракції 315/160 і 23AM40Fe80 фракції 160/100.
6. Вивчався вплив МАП на геометрію і якість пера компресорних лопаток з титанових сплавів. МАП лопаток дозволяє сформувати радіуси округлення кромок, зняти зайвий метал, забезпечити необхідну шорсткість пера лопаток, зміцнити поверхневий шар (збільшується мікротвердість, у поверхневому шарі формуються напруження стиску величиною в середньому 660…825 МПа, що перевищує результати серійної технології), а також збільшити втомну міцність у 1,2...1,4 разу і механізувати ручні операції. Магнітно-абразивна обробка забезпечує більш високу якість поверхневого шару в порівнянні з іншими способами обробки. При МАО отримана шорсткість –,4-0,7 мкм (віброполірування –,6-0,9 мкм, ЕХО –,7-2,1 мкм), мікротвердість –кгс/мм (віброполірування –кгс/мм, остаточна ЕХО –кгс/мм).
7. Надані рекомендації з розробки технологічних процесів виготовлення лопаток авіаційних двигунів з титанових сплавів з використанням фінішної магнітно-абразивної обробки.
8. На підставі досліджень розроблені методики для визначення параметрів магнітно-абразивної обробки і надані рекомендації з ведення раціональних технологічних процесів. Методика розрахунку деформування матеріалу зернами магнітно-абразивного порошку дозволяє прогнозувати величину зміцненого шару оброблюваного матеріалу, враховуючи його механічні властивості, а також варіювати технологічними параметрами обробки (магнітною індукцією, розмірами зерен). Для алюмінію, титана і сталі отримані значення енергосилових параметрів МАП. Встановлено розмір зерен МАп, при використанні яких процес деформування найбільш ефективний (для алюмінію –...150 мкм, для титана, сталі –...100 мкм), за умов тиску на зерно 0,013...0,05 МПа, що відповідає магнітній індукції 0,65...1,2 Тл.
. Економічний доход від упровадження результатів досліджень на ВАТ “Мотор Січ”склав 150,5 тис. гривень у рік.
1. Багмет М.Н. Классификация применяемых порошков по функциональному назначению //Химия, химические технологии и экология: Вестник государственного политехнического университета. Сборник научных трудов. Выпуск 90. –Харьков: ХГПУ. - 1999. –с. 124-136.
2. Багмет М.Н., Ткаченко В.В., Гончаренко А.Д. Определение влияния технологических деформаций на сопротивление усталости //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сборник научных трудов. –Харьков, НАКУ “ХАИ”. –Выпуск 23(6). –.–с. - с. 127-131.
. Ткаченко В.В., Колтун К.С., Багмет М.Н., Яковлев В.Г. Высокоэнергетическая импульсная обработка (ВЭИО) деталей ГТД //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сборник научных трудов. –Харьков, НАКУ “ХАИ”. –Выпуск 24(1). –.–с. - с. 107-114.
. Багмет М.Н., Петренко А.П. Оборудование для детонационно-газового нанесения покрытий // Технологии в машиностроении: Вестник государственного политехнического университета. Сб. науч. трудов. Выпуск 89. –Харьков: ХГПУ. - 2000. –с. –с. 37-41.
5. Леховицер З.В., Балушок К.Б., Петренко А.П., Багмет М.Н. Пневматические дозаторы порошка в установках для детонационного напыления // Технологии в машиностроении: Вестник государственного политехнического университета. Сб. науч. тр. Вып. 104. –Харьков: ХГПУ. - 2000. –с. –с. 65-74.
6. Колтун К.С., Багмет М.Н., Ткаченко В.В., Яковлев В.Г. Оценка влияния предистории нагружения и дефектов типа трещин на характеристики циклической трещиностойкости // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сборник научных трудов. –Харьков, НАКУ “ХАИ”. –Выпуск 22(5). –.–с. - с. 51-57.
7. Багмет М.Н. Обработка деталей с покрытиями //Авиационно-космическая техника и технология: Труды Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. Выпуск 33. –Харьков: Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. –с. –с. 408-418.
. Долматов А.И., Багмет М.Н. Разработка технологии финишной обработки деталей авиационных двигателей //Авиационно-космическая техника и технология: Труды Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. Выпуск 32. –Харьков: Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. –с. –с. 420-429.
9. Долматов А.И., Багмет М.Н. Обоснование выбора комплексных технологий, позволяющих повысить эксплуатационные характеристики деталей и узлов авиадвигателей //Труды 2-й Международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”, 28-30 мая 2002 г., г. Ялта. –Киев: АТМ Украины, 2002. –с. –с. 36-39.
10. Багмет М.Н., Маркович С.Е. Экспериментальное изучение влияния предварительных пластических деформаций на сопротивление усталости //Труды Международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”, 29-31 мая 2001 г., г. Феодосия. –Киев: АТМ Украины, 2001. – с. –с. 17-19.
11. Багмет М.Н. Использование высокоэнергетической импульсной обработки (ВЭИО) для воздействия на эксплуатационные и технологические характеристики металлов //Труды Десятой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”, 2-6 сентября 2001 г., Рыбачье. –Харьков: НАКУ “ХАИ”, 2001. –с. –с. 62-64.
12. Багмет М.Н., Попов В.В. Определение характеристик трещиностойкости сплавов при циклическом нагружении //Труды Международной научно-технической конференции “Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машино- и приборостроении”, 21-22 августа 2001 г., г. Киев. –Киев: АТМ Украины, 2001. –с. –с. 3-4.
[2] –Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні досліджень.
[3] – Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні досліджень.
[4] - Автору належить проведення аналізу і досліджень, написання статті.
[5] - Автору належить проведення аналізу і досліджень, обговорення результатів і написання статті.
[6] - Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні експериментів.
[8] - Автору належить розробка методики, проведення експерименту, обговорення матеріалів і написання статті.
Анотація
Багмет М.М. Розробка комплексних технологій, які підвищують життєвий цикл деталей та вузлів авіаційних двигунів. –Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 – технологія виробництва літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Міністерство освіти і науки України, Харків, 2003.
Дисертація присвячена вирішенню найважливіший народногосподарської задачі підвищення життєвого циклу деталей та вузлів авіаційних двигунів шляхом створення технологічних методів, які формують фізико-механічні і геометричні характеристики поверхневого шару лопаток газотурбінних двигунів.
Проведено аналіз технологічних методів, які дозволяють підвищити життєвий цикл деталей та вузлів авіаційних двигунів і проаналізовано вплив різних технологій на якість, фізико-механічні і геометричні характеристики поверхневого шару деталей авіаційних двигунів. Проведені теоретичні дослідження механізму формування поверхневого шару деталей під дією магнітно-абразивного інструмента. Проведено моделювання і розрахунок пружнопластичного деформування при магнітно-абразивному поліруванні, визначені енергосилові параметри процесу. Експериментально досліджено процес магнітно-абразивної обробки деталей з нанесеними покриттями і без них.
У результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень у роботі розроблена технологія фінішної обробки деталей авіаційних двигунів і приведені рекомендації по розробці технологічних процесів виготовлення лопаток авіаційних двигунів з титанових сплавів з використанням фінішної магнітно-абразивної обробки. Основні результаті роботи знайшли застосування під час виготовлення деталей авіаційних двигунів на ВАТ “Мотор Січ” м. Запоріжжя, Україна, а також упроваджені в навчальний процес.
Ключові слова: життєвий цикл, фізико-механічні характеристики, магнітно-абразивна обробка, поверхневий шар, експлуатаційні властивості, якість.
Аннотация
Багмет М.Н. Разработка комплексных технологий, повышающих жизненный цикл деталей и узлов авиационных двигателей. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 –технология производства летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”, Министерство образования и науки Украины, Харьков, 2003.
Диссертация посвящена решению важнейшей народно-хозяйственной задачи повышения жизненного цикла деталей и узлов авиационных двигателей путем создания технологических методов, формирующих физико-механические и геометрические характеристики поверхностного слоя лопаток газотурбинных двигателей.
Проведен анализ технологических методов, позволяющих повысить жизненный цикл деталей и узлов авиационных двигателей, и проанализировано влияние различных технологий на качество, физико-механические и геометрические характеристики поверхностного слоя деталей авиационных двигателей.
Выбран детонационный метод нанесения покрытий для повышения жизненного цикла и восстановления турбинных и компрессорных лопаток и других деталей авиационных двигателей, работающих в условиях высоких температур и экстремальных нагрузок.
Проанализированы методы обработки покрытий, в результате выбрана магнитно-абразивная обработка (МАО) в связи со спецификой и конструктивными особенностями обрабатываемых деталей (лопатки авиационных двигателей).
На основании исследований в теоретической части исследован механизм формирования поверхностного слоя под действием магнитно-абразивного инструмента. Разработана методика расчета деформирования материала зернами магнитно-абразивного порошка, определены энергосиловые параметры МАО, и даны рекомендации по ведению рациональных технологических процессов. Экспериментальная часть работы посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния в газотермических покрытиях. Исследовано влияние финишной обработки на эксплуатационные характеристики и свойства поверхностного слоя деталей авиационных двигателей из титановых сплавов с нанесенными покрытиями и без них. Дано сравнение МАО с другими методами обработки по получаемым показателям качества поверхностного слоя.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология финишной магнитно-абразивной обработки сложнопрофильных деталей из титановых сплавов и даны рекомендации по разработке технологических процессов изготовления лопаток авиационных двигателей из титановых сплавов с применением магнитно-абразивного полирования.
Основные результаты работы нашли применение при изготовлении деталей авиационных двигателей на ОАО “Мотор Сич”г. Запорожье, Украина, а также внедрены в учебный процесс.
Ключевые слова: жизненный цикл, физико-механические характеристики, магнитно-абразивная обработка, поверхностный слой, эксплуатационные свойства, качество.
Summary
Bagmet M.N. Development of complex technologies to increase of life cycle of the aircraft engines parts and groups. –Typescript.
Thesis to competition of the academic degree of the candidate of engineering science of 05.07.04 specialty –aircraft production engineering. N. Zhukovsky National Aerospace University “KhAI”, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2003.
The aim of the thesis is the solution of most important pertaining to the national economy problem of life cycle increasing of aircraft engines parts and groups by creation of the technological methods forming physical-mechanical and geometrical characteristics of surface layer of gas-turbine engines blades.
The analysis of technological methods, which permit to increase of life cycle of the aircraft engine parts and groups, was carried out and the influence of different technologies on quality, physical-mechanical and geometrical characteristics of surface layer of the aircraft engines parts has analysed. The theoretical researches of mechanism of forming of parts surface layer by acting of magnet-abrasive instrument fulfilled. The process of magnet-abrasive machining of parts with coating and without coating has been experimentally investigated. As a result of theoretical and experimental researches the technology of finishing machining (magnet-abrasive) of the aircraft engines parts has developed and the recommendations for conducting of the technological processes production of aircraft engine blades with the use following magnet-abrasive machining. The basic results of this thesis were used for production of the gas-turbine aero-engines parts at Motor-Sich JSC, Zaporozhye, Ukraine and were introduced in the educational process.
Keywords: life cycle, physical-mechanical characteristics, magnet-abrasive treatment, surface layer, exploitation characteristics, quality.
Підписаний до друку 20.03.2003 р. Формат 60х90 1/16.
Об’єм 1 д. п. Заказ 103 Тираж 100
Друк офсетний. Типографія ХАІ.
61070 Харків, вул. Чкалова, 17