Автореферат Овсеенко Е.С.

На правах рукописи
ОВСЕЕНКО ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ
ДЕТАЛЕЙ ТИПА ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ЗА СЧЕТ
СНИЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ.
Специальность 05.02.08 – «Технология машиностроения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2011.
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования Московском государственном
технологическом университете «СТАНКИН», Государственном научном центре
Российской Федерации Открытом Акционерном Обществе «Научнопроизводственное объединение «Центральный научно-исследовательский
институт технологии машиностроения» (ОАО НПО ЦНИИТМАШ) и ФГУП
«Московское машиностроительное производственное предприятие «САЛЮТ».
Научный руководитель:
Доктор технических наук, профессор,
лауреат Ленинской премии
Тимирязев Владимир Анатольевич
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор,
Мнацаканян Виктория Умедовна
Кандидат технических наук, профессор
Хостикоев Михаил Заурбекович
Ведущая организация:
Государственное образовательное
учреждение высшего профессионального
образования Московский государственный
технический университет «МАМИ»
Защита диссертации состоится 31 мая 2011г. в 14.00 на заседании
диссертационного совета Д 217.042.02 при ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу:
115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4.
Тел/факс: (495) 675-89-05; E-mail: dnklauch@cniitmash.ru
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ОАО
НПО
«ЦНИИТМАШ»
по
адресу:
115088,
Москва,
ул.
Шарикоподшипниковская, д.4.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах заверенны печатью учреждения
(организации) просим направлять в диссертационный совет по указанному
адресу.
Автореферат разослан «___» апреля 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук
Д.Н. Клауч
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность темы. Тенденции повышения требований к качеству
продукции машиностроения при одновременном снижении её металлоёмкости
влекут всё большее использование деталей малой жёсткости и, в частности,
типа дисков. Обеспечение заданных параметров качества маложестких дисков
сопряжено со значительными трудностями из-за технологических остаточных
деформаций (коробления), возникающих в процессе изготовления.
Закономерности образования технологических остаточных деформаций при
изготовлении деталей типа маложестких дисков недостаточно изучены. При
разработке техпроцессов изготовления дисков в большинстве случаев не
учитывается технологическое наследование напряжений и деформаций.
Отсутствуют
комплексные
исследования,
устанавливающие
связь
технологических параметров всей совокупности проводимых операций с
остаточными деформациями, что ограничивает возможности разработки
рациональных технологических процессов изготовления качественных дисков.
Данные обстоятельства ставят исследования в этой области в ряд актуальных
проблем технологии машиностроения.
Исследования, составляющие содержание диссертации, выполнялись в
лабораторных и производственных условиях ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», ФГУП
ММПП «САЛЮТ» и ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» в том числе в рамках
Государственного контракта №9411.1003702.05030 от 21.10.2009 г. «Разработка и
внедрение прогрессивных технологических процессов изготовления дисков из
жаропрочных никелевых сплавов для газотурбинных установок нового
поколения, шифр «ГТУ».
Цель работы. Разработка методов обеспечения качества изготовления
маложестких
деталей
типа
дисков
газотурбинных
установок
из
труднообрабатываемых материалов на основе выявления закономерностей их
технологических остаточных деформаций с учетом технологической
наследственности.
Для достижения поставленной цели была определена необходимость
решения следующих задач:
1.
Выявить закономерности формирования технологических остаточных
деформаций деталей типа маложестких дисков.
2.
Исследовать влияния технологических и конструктивных факторов
на технологические начальные напряжения, остаточные напряжения и
деформации.
3.
Разработать математическую модель, связывающую площадь эпюры
начальных напряжений и основные технологические факторы.
4.
Исследовать влияния технологической наследственности на
остаточные напряжения и деформации маложестких дисков.
5.
Разработать
рекомендации
по
снижению
технологических
остаточных деформаций маложестких дисков газотурбинных установок из
труднообрабатываемых материалов.
3
Методы исследования. Представленные результаты диссертационной
работы получены на основе теоретических и экспериментальных исследований,
включая исследования непосредственно на производстве. Поставленные задачи
решались на основе фундаментальных положений технологии машиностроения,
теории резания металлов, теории упругости и пластичности, металловедения. В
экспериментальных исследованиях использованы математические методы
планирования и обработки результатов экспериментов, современные приборы и
установки для исследования остаточных напряжений и деформаций. Обработка
экспериментальных данных осуществлялась с использованием ЭВМ.
Научная новизна работы представляет собой новое решение актуальной
научной задачи – выявление связей, определяющих влияние технологических
факторов обработки на достигаемую точность, остаточные деформации и
напряжения в поверхностных слоях маложестких деталей типа дисков ГТУ, что
имеет важное научное и практическое значение. Научная новизна работы включает:
1. Установление закономерностей влияния методов и технологических
факторов при обработке маложестких дисков и пластин на технологические
начальные напряжения и остаточные деформации.
2. Разработку математической модели, связывающей главную
интегральную характеристику эпюры начальных напряжений (ее площадь) и
основные технологические факторы торцового точения дисков из никелевого
сплава.
3. Выявление механизма формирования технологических остаточных
деформаций при односторонней и двусторонней обработке для наиболее
характерных эпюр распределения начальных напряжений, образующихся в
поверхностном слое при различных методах обработки.
4.
Установление
закономерностей
влияния
технологической
наследственности на конечные остаточные деформации и остаточные
напряжения в поверхностном слое маложестких дисков.
Практическая ценность состоит:
1.
В разработанной методике и математических моделях для расчета
главной интегральной характеристики эпюры начальных напряжений при
торцовом точении и определении рациональных условий обработки.
2.
В разработке принципиальной схемы (алгоритма) проектирования
технологического процесса изготовления маложестких деталей типа дисков с
учетом технологических наследственных остаточных напряжений, начальных
напряжений и технологических остаточных деформаций.
3.
В разработке рекомендаций по технологическому обеспечению
заданной точности маложестких дисков путем управления технологическими
остаточными деформациями и обеспечению качества поверхностного слоя.
Реализация результатов исследований.
Результаты работы внедрены и используются при разработке прогрессивных
технологических процессов изготовления маложестких дисков ГТУ на ММПП
«Салют».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на Международной конференции «Производство
4
Технология. Экология. «ПРОТЭК’08» (Москва, 2008), на Всероссийской научнотехнической конференции «Новые материалы и технологии» НМТ-2010 (Москва,
2010г.), на XIV Международной научно-практической конференции «Современные
технологии в машиностроении» (Пенза, 2010г.), на IX Международной научнопрактической
конференции
«Проблемы
синергетики
в
трибологии,
трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике» (Новочеркасск, 2010г.), на
научном симпозиуме «Неделя горняка-2011» (Москва, 2011г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том
числе 5 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
основных выводов, списка литературы. Основной текст изложен на 144
страницах машинописного текста, имеется 39 иллюстраций, 8 таблиц, список
литературы из 138 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее цель и задачи,
приведены основные результаты работы.
В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса по
обеспечению точности при изготовлении деталей малой жесткости, в том числе
типа дисков.
Установлено, что основным фактором, влияющим на их коробления,
являются технологические остаточные деформации изгиба, а его сохранение с
течением времени обусловлено степенью релаксации остаточных напряжений и
стабильностью структурно-фазового состояния материала.
Показан большой вклад в решение данных проблем В.Н. Шахурина, С.А.
Букатого, А.И. Исаева, Б.А. Кравченко, Ю.Н. Вивденко, О.Ю. Коцюбинского,
А.Н. Овсеенко, А.И. Промптова, В.А. Смирнова, В.К. Кузюшина, В.К.
Мазура, С.Г. Гинкула, Ю.И. Замащикова, С.К. Каргапольцева и других
ученых. Анализ литературных источников, патентной и нормативной
документации позволил установить следующее.
1.
Технологические остаточные деформации обусловлены нарушением
уравновешенного напряженного состояния заготовки при удалении припусков
механической обработкой и одновременным формированием в поверхностном
слое начальных напряжений (под последними понимаются напряжения,
имеющие место в заготовке после обработки, но до её освобождения от
внешних связей и деформирования) (рис. 1), а также изменением напряженного
состояния, предварительно созданного силами крепления заготовки в
приспособлениях. Технологические остаточные деформации проявляются
главным образом в виде изгиба и изменения размеров детали после проведения
очередной операции и удаления внешних связей и воздействий.
2.
Теоретическое изучение технологических остаточных деформаций
проводилось в большинстве случаев применительно к простым случаям их
формирования после одной или двух последовательно проводимых операций и не
затрагивало наследственных влияний всей цепочки проводимых операций. Как
5
исключение, следует отметить глубокие исследования технологических
остаточных деформаций турбинных лопаток и деталей типа брусьев,
выполненные С.А. Букатым, А.Н.Овсеенко, А.И. Промптовым, В.А.
Смирновым и их учениками.
3.
Вклад технологических остаточных напряжений исходной заготовки,
начальных напряжений, формируемых процессом резания, напряжений от
воздействий станочных приспособлений в результирующие технологические
остаточные деформации маложестких дисков не получил количественной оценки.
4.
Результаты ранее выполненных исследований остаточных и начальных
напряжений при одноосном напряженном состоянии прямоугольных образцов не
могут быть прямым образом использованы для разработки моделей
прогнозирования технологических остаточных деформаций деталей типа дисков.
С учетом изложенного сформулированы цель и задачи диссертационной
работы.
Рис. 1. Принципиальная схема взаимодействия напряжений при
односторонней обработке. Эпюры напряжений: 1 – остаточные напряжения в
заготовке, 2 – начальные напряжения, возникшие в результате односторонней
обработки; 3 – начальные напряжения после обработки; 4,5 – часть остаточных
напряжений, которые возникают от продольных(4) и изгибных(5) деформаций; 6
– сформированные остаточные напряжения.
Во второй главе приводится методика проведения экспериментальных
исследований натурных маложестких лабиринтных дисков, выбранных в качестве
объекта исследований.
Маложесткие диски газотурбинных двигателей (ГТД) относятся к наиболее
ответственным деталям газотурбинных установок (ГТУ). Они должны иметь
высокую надёжность, которая существенно зависит от технологии изготовления
дисков. Её основой является механическая обработка, которая должна обеспечить
6
требуемую точность дисков и качество их поверхностного слоя (шероховатость,
деформационное упрочнение, остаточные напряжения). Для изготовления
маложестких дисков в настоящее время применяются деформируемые
жаропрочные сплавы, хромоникелевые сплавы, титановые сплавы.
Конструктивно маложесткие диски турбин и компрессоров состоят из
полотна, на периферии которого выполнены равноотстоящие друг от друга пазы
со специальным профилем или лабиринтным уплотнением и поверхностей
ступицы с отверстиями для центрирования и закрепления диска на валу (рис.2).
Для объективной оценки напряжённого состояния поверхностного слоя
полотна маложестких дисков необходимо знать эпюру распределения
остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя (ПС), начиная со слоя
толщиной 2-5 мкм.
В работе для определения остаточных напряжений использовались
проблемно-ориентированный измерительно-вычислительный комплекс контроля
остаточных напряжений ПОВКОН "Тензор", а также оптико-механическая
установка ЦНИИТМАШ.
Рис. 2. Схема вырезки радиальных (1, 3, 5) и тангенциальных (2, 4, 6)
образцов из дисков для определения остаточных напряжений.
Для этого из полотна диска, а также с поверхности ступицы
электроискровым способом вырезались образцы прямоугольного сечения в
радиальном и тангенциальном направлениях (рис. 2). Измерялись деформации
образцов, возникшие в результате вырезки, и они крепились в установке.
Остаточные напряжения в образце рассчитывались по формуле (2.1):
7
 00 (a) 
а
8E  
4E 
df (a)



а

f



а


4
f
(
a
)

(


а
)

2
f ( x)dx  , (2.1)




0

2
2 
0
da
l0  2 
3l 

где f 0 - стрела прогиба образца после вырезки из диска, мм;
l0 - общая длина образца, мм;
 – толщина образца, мм;
а – толщина снятого слоя, мм;
l - длина участка травления образца, мм;
f (a) , f ( x) - функции изменения стрелы прогиба образца по глубине снятого
слоя " a " и текущей координате " x " соответственно.
Остаточные напряжения в диске до вырезки из него образцов определялись
с учетом плоского напряженного состояния.
Технологические остаточные деформации дисков оценивались по
изменению величин Ул и Цл, схема измерения которых представлена на рис. 3.
Измерения проводились в нескольких точках по окружности,
фиксировались минимальные и максимальные значения Ул и Цл. на поверхности
диска со стороны А и на поверхности диска со стороны Б.
Размеры Ул и Цл указаны от поверхностей, находящихся на стороне А, на
которой проводились основные измерения.
Анализ деформаций лабиринта на конкретной операции (переходе)
проводился по разности измеренных ΔУл на последующей и предыдущей
операциях (переходе), т. е.:
ΔУл0i = ΔУлi – ΔУлi-1,
где ΔУл0i – величина ΔУл на i - ой операции;
ΔУлi – измеренное Улi на последующей (i - ой) операции;
ΔУлi-1 – измеренное Улi на предыдущей (i-1 ой) операции.
Рис. 3. Схема измерения остаточных деформаций дисков (Ул и Цл).
Площадь эпюры технологических начальных напряжений Рн является ее
главной характеристикой, по которой можно оценить влияние методов и режимов
обработки на технологические остаточные деформации деталей. При
односторонней обработке образцов прямоугольного сечения она может быть
определена по стреле прогиба образца f из формулы
8
Ml 2
f 
,
8 E  J


где M  Pн   X c ;
2

3
J ;
12
a
Pн    н ( x); тогда
0
4
E  f  3
Pн   2
3 l  (  2 X c )
где δ – толщина образца; Хс – координата центра тяжести эпюры начальных
напряжений (от поверхности образца); l – длина образца; Е – модуль упругости
материала образца; а – глубина поверхностного слоя, в который вносятся
начальные напряжения.
Координату Хс невозможно определить, не зная эпюру распределения
начальных напряжений. Для большинства методов механической обработки и
конкретных деталей Хс является величиной второго и более высоких порядков
малости по сравнению с δ. Поэтому без большой погрешности можно принять
Хс=0, т.е. считать, что вектор Рн приложен непосредственно к поверхности
детали. Тогда
4 E  f  2
Pн  
3
l2
Положительным считается Рн при начальных напряжениях растяжения (+),
т.е. когда обработанная поверхность становится вогнутой.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований
технологических остаточных деформаций штатных лабиринтных дисков
компрессоров в производственных условиях.
В ходе технологического процесса изготовления лабиринтных дисков
наблюдаются технологические остаточные деформации (коробление) лабиринта,
превышающие допуски на размеры Ул (4,7+0,05мм) и Цл (2,65±0,1мм). Для
выявления причин коробления и разработки рекомендаций по их снижению до
допустимых пределов был проведен комплексный анализ всего технологического
процесса изготовления дисков лабиринта, начиная с анализа состояния заготовки
и заканчивая дробеупрочнением микрошариками и финишными операциями .
Путём измерения величин по операциям и переходам технологического
процесса обработки заготовки диска лабиринта выявлялись операции и переходы,
оказывающие наибольшее влияние на деформации лабиринта.
Проводилось сравнение четырех вариантов обработки дисков в
зависимости от характера предварительной термообработки, а также способа
установки и закрепления заготовок дисков на планшайбе.
Измерения проводились по всей поверхности лабиринта на
соответствующем радиусе, но фиксировались только максимальные и
минимальные значения Ул и Цл без фиксации мест их расположения.
9
На рис. 4 показано изменение среднего значения размера Ул по операциям
техпроцесса изготовления лабиринта и доверительный интервал, определенный с
вероятностью РD = 0,95.
На рис. 5, 6 приведены эпюры остаточных напряжений в образцах,
вырезанных из различных участков дисков в радиальном и тангенциальном
направлениях.
Исследования в производственных условиях показали, что наибольшее
влияние на технологические деформации оказывают операции и переходы
токарной обработки полотна дисков (черновые и чистовые), а также термическая
операция. Так, при черновой обработке максимальное отклонение размера У л
составляет 0,18мм, при получистовой – 0,09мм, а при чистовой – 0,25мм. При
термической обработке дисков после механической обработки в результате
релаксации остаточных напряжений от предыдущих операций деформации в
основном направлены в обратную сторону и колеблются в пределах 0,2мм.
Операции
Рис. 4. Среднее значение отклонений размера Ул (ΔУл) и их доверительный
интервал для двадцати лабиринтов по операциям технологического процесса
изготовления диска: 1 – верхний доверительный интервал, 2 – среднее значение,
3 – нижний доверительный интервал; Операции: 40 – Лоботокарная черновая; 42,
44 – Токарная с ЧПУ черновая; 51, 61 – Токарная с ЧПУ получистовая; 65 –
Полировальная; 80 – Травление; 85 – Термическая; 95 – Лоботокарная
получистовая; 104 – Токарная с ЧПУ получистовая; 114 – Токарная с ЧПУ
чистовая; 116 – Полировальная; 155 – Токарная чистовая; 180 – Слесарная
(полировальная); 215 – Термическая; 235 – Упрочнение поверхностное; 250 –
Контрольная; 265 – Пескоструйная(обдувка); 275 – Никелирование. ст –
измерение на станке; св – измерение в свободном состоянии вне станка.
10
а)
б)
Рис. 5. Распределение остаточных напряжений (МПа) по глубине (мм) в
образцах, вырезанных из диска в радиальном направлении, после точения на
режиме V = 8÷10 м/мин, t = 1 мм, сплав ХН62БМКТЮ, резец ВК10ХОМ;
а) – S = 0,15 мм/об, б) – S = 0,07 мм/об; 1 – образец из зоны с Rср =200 мм; 3 –
образец из зоны с Rср = 135 мм; 5 – образец из зоны с Rср = 82 мм.
а)
б)
Рис. 6. Распределение остаточных напряжений (МПа) по глубине (мм) в
образцах, вырезанных из диска в тангенциальном направлении, после точения на
режиме: V = 8 ÷ 10 м/мин, t = 1 мм, сплав ХН62БМКТЮ, резец ВК10ХОМ;
а) – S = 0,15 мм/об, б) – S = 0,07 мм/об; 2 – образец из зоны с Rср = 200 мм ; 4 –
образец из зоны с Rср = 135 мм; 6 – образец из зоны с Rср = 82 мм
При точении наиболее сильное влияние на остаточные напряжения
оказывают подача и скорость резания. При t > 0,5 мм интенсивность влияния
глубины резания на остаточные напряжения и деформации маложестких деталей
уменьшается. Так, с увеличением глубины резания с 0,5 мм до 1,5 мм остаточные
деформации образцов длиной 100 мм и толщиной 3,5 мм увеличиваются только
на 10% - 15%, что указывает также на небольшое увеличение начальных и
остаточных напряжений. С увеличением подачи при точении с 0,07 до 0,15
мм/об. интенсивность ее влияния на величину и характер распределения
остаточных напряжений уменьшается.
С уменьшением подачи от 0,15 мм/об. до 0,07 мм/об. величина остаточных
напряжений снижается при сохранении характера эпюр распределения. При этом
уменьшается разброс и увеличивается стабильность процесса формирования
остаточных напряжений в различных зонах полотна диска.
Остаточные напряжения в полотне диска (плоское напряженное состояние)
по величине отличаются от остаточных напряжений в образцах (линейное
напряженное состояние). Так, радиальные напряжения на самой поверхности,
11
обработанной с подачей S = 0,15 мм/об, в образце -300 МПа, а в диске -66 МПа, а
тангенциальные в образце +800 МПа, а в диске +780 МПа. На глубине же 0,1 мм:
радиальные напряжения в образце -370 МПа, а в диске -406 МПа, а
тангенциальные напряжения в образце 0, а в диске -122 МПа. Примерно такая же
закономерность наблюдается на дисках, обработанных с подачей S =0,07 мм/об.
Радиальные остаточные напряжения на поверхности диска -330 МПа (в образце 460 МПа), тангенциальные +102 МПа (в образце +205 МПа). На глубине 0,2 мм
радиальные напряжения в диске –313 МПа (в образце -240 МПа), тангенциальные
в диске -244 МПа (в образце -150 МПа). Как видим, разница между остаточными
напряжениями в образцах и дисках существенная, поэтому оценку остаточных
напряжений в дисках необходимо вести с учетом плоского напряженного
состояния.
Для оценки напряженного состояния лабиринтных дисков после
дробеупрочнения микрошариками (УМШ) и прохождения всех операций
технологического процесса их изготовления определялись радиальные и
тангенциальные остаточные напряжения на образцах, вырезанных из
экспериментальных лабиринтов или из серийных лабиринтов, забракованных по
геометрическим параметрам. Исследованиями установлено, что на всех
лабиринтах в зоне периферийного пояса тангенциальные и радиальные
остаточные напряжения близки по величине и характеру распределения.
Анализ остаточных напряжений в ПС дисков (со стороны выхода) после
ручного полирования (до упрочнения) показывает, что максимальные остаточные
напряжения сжатия 600 МПа находятся на поверхности и снижаются до 0 на
глубине 40мкм. Последующее упрочнение смещает максимум напряжений
сжатия на глубину до 20мкм и увеличивает глубину их распространения до
140мкм.
Таким
образом,
при
соблюдении
технологического
процесса
тангенциальные и радиальные остаточные напряжения после дробеупрочнения
полотна лабиринта как в зоне периферийного, так и в зоне ступичного пояса
практически одинаковы, что говорит об удовлетворительной равномерности
упрочнения.
В четвертой главе приводятся результаты дробного факторного
эксперимента при торцовом точении, а также результаты исследования влияния
технологических факторов на остаточные деформации образцов при строгании,
полировании и УМШ.
Площадь эпюры технологических начальных напряжений Рн является ее
главной интегральной характеристикой, по которой можно оценить влияние
методов и режимов обработки на технологические остаточные деформации
деталей.
Для разработки статистической математической модели, связывающей Рн с
основными технологическими факторами, проведен дробный факторный
эксперимент ДФЭ-24-1.
Величины исследуемых технологических факторов варьировались в
практически приемлемых пределах с учетом возможности их использования в
реальных условиях производства (табл. 1).
12
Таблица 1.
Варьируемые факторы.
Фактор
V, м/мин
S, мм/дв.ход.
t, мм
h3, мм
Уровень
Верхний
15
0,15
1,5
0,4
Интервал
5
0,04
0,5
0,15
Нижний
5
0,07
0,5
0,1
Процесс торцового точения моделировался строганием вдоль и поперек
образцов из никелевого сплава ЭП741-НП (ХН62БМКТЮ) размером
120×20×3,5мм (после обработки). Резцы с пластинками ВК10ХОМ, r=1мм, γ=0°,
φ=90°, φ1=45°, α=8°, СОЖ – «Аквол-1» 5% концентрации. В качестве матмодели
выбрана степенная зависимость
Pн  Cн V Х н  S Yн  t Z н  hз
qн
, (МПа·мм),
где V – скорость резания, м/мин,
S – подача, мм/дв. ход,
t – глубина резания, мм,
hз – износ по задней грани, мм.
Таблица 2.
Матрица планирования и результаты ДФЭ для тангенциальных начальных
напряжений (-Рнт) и радиальных начальных напряжений (-Рнр).
1
2
3
4
5
6
7
8
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
-
+
+
+
+
-
X4=X1X2X3(hз)
X3(t)
X2(S)
Nj X0
X1(V)
4-1
+
+
+
+
-
Тангенциальные
Радиальные
-Рнт1
-Рнт2
-Рнт3
-Р
9,4
8,1
7,8
19,4
8,6
17,8
24,1
17,6
9,5
7,4
6,8
16,2
9,1
17,8
23
21,3
9,9
7,3
9,4
19
8,4
19
22,8
21,1
9,6
7,6
8,0
18,2
8,7
18,2
23,3
20,0
нт
-Рнр1
-Рнр2
-Рнр3 - Р
130
100
105
95
91
88
90
78
137
93
108
98
84
90
75
78
129
101
96
110
80
99
81
84
нр
132
98
103
101
85
92
82
80
После соответствующей математической обработки в окончательном виде
получены следующие адекватные матмодели для определения главной
интегральной характеристики эпюры начальных напряжений в радиальном и
тангенциальном направлениях при линейном напряженном состоянии.
Pнр  131 V 0,06  S 0,13  t 0, 22  hз0,07 , (МПа·мм),
13
PНТ  10,3  V 0, 27  S 0,58  t 0, 44  hз0,35 ,
(МПа·мм),
Матмодели главной интегральной характеристики тангенциальных и
радиальных начальных напряжений при плоском напряженном состоянии имеют
вид:
'
PНТ
 57,4 V 0, 054  S 0, 083  t 0, 012  hз0,164 , (МПа·мм),
'
PНР
 151  V 0, 054  S 0,115  t 0, 202  hз0, 088 , (МПа·мм).
Основной операцией технологического процесса изготовления
дисков, которая наиболее сильно влияет на их остаточные деформации,
является торцовое точение, исследование которого проводилось путем
моделирования строганием.
Влияние технологических факторов на начальные, остаточные
напряжения и деформации исследовалось на плоских прямоугольных
образцах размером 120×20×3,5 мм.
В результате проведения исследований установлено, что наибольшее
влияние на начальные напряжения и остаточные деформации деталей при
строгании оказывают следующие технологические факторы: направление
обработки, подача, износ резца, скорость резания, передний угол, радиус вершины
резца (рис. 7). При малых глубинах резания (0,2…0,5 мм) существенное влияние
оказывает глубина резания.
14
Рис. 7. Влияние переднего угла (1), подачи (2) и скорости резания (3)
на остаточные деформации образцов из стали 20Х13 при строгании: резец
Р18, γ=20°, φ=52,5°, r=3мм, V=21 м/мин, S=0,3 мм/дв.ход., t=1,5 мм,
охлаждение эмульсией.
Лезвийная обработка (строгание, точение) никелевых сплавов, углеродистых
и коррозионно-стойких сталей сопровождается образованием в поверхностном
слое в основном начальных напряжений растяжения величиной до 550 МПа,
которые вызывают положительно направленные остаточные деформации деталей
типа стержней и пластин (односторонняя обработка).
При лезвийной обработке титановых сплавов наблюдается обратная
закономерность: в поверхностном слое образуются начальные напряжения
сжатия, которые вызывают отрицательно направленные остаточные деформации.
Величина начальных напряжений при строгании титановых сплавов доходит до
450 МПа.
В результате полирования в поверхностном слое стальных деталей, а
также деталей из никелевых и титановых сплавов образуются в основном
начальные напряжения растяжения небольшой величины и залегают они в
слое толщиной до 0,1 мм, вызывая остаточные деформации в десятки раз
меньшие, чем при строгании.
Основными факторами, влияющими на остаточные деформации деталей
при дробеупрочнении, являются диаметр шариков, скорость их полета и время
15
упрочнения. С увеличением времени упрочнения интенсивность остаточных
деформаций деталей уменьшается, и с некоторого момента деформаций
практически не происходит.
Полиров. фрезеров.
поверхности
Полиров. строган.
поверхности
Шлифов. фрезер.
поверхности
Шлифов.
строган.
поверхн.
Чист. фрезер.
Чист. строган.
0,3
Термообраб.
0,4
Черн. фрезер.
0,5
Черн. строган.
Деформации на фрезерованной поверхности, мм
В пятой главе раскрывается механизм технологического наследования
остаточных деформаций маложестких деталей и приводятся рекомендации по
снижению технологических остаточных деформаций деталей типа
маложестких дисков газотурбинных установок.
Установлено, что технологическая наследственность является одним из
основных факторов, влияющих на межоперационные и конечные остаточные
деформации маложестких деталей.
В зависимости от способа получения заготовки, вида термообработки и
характера предыдущих операций в заготовке формируются разные эпюры
остаточных напряжений, что приводит к различным остаточным деформациям
маложестких деталей при последующей обработке (рис. 8).
4
0,2
0,1
2
0
3
-0,1
1
5
-0,2
-0,3
Рис. 8. Технологические остаточные деформации образцов 120×20×3,5мм
из титановых сплавов ВТ3-1 (1; 4; 5) и ТС5 (1; 2; 3): 1, 2 – термообработка в
вакууме; 3, 4 – без термообработки; 5 – термообработка в электропечи.
При удалении больших припусков на обработку даже небольшие
остаточные напряжения в заготовке (10-20 МПа) могут привести к значительным
деформациям маложестких деталей.
Технологическая наследственность практически не влияет на эпюры
начальных и остаточных напряжений, если глубина проникновения (с учетом
припуска на обработку) активной части эпюры остаточных напряжений до
обработки меньше глубины проникновения эпюры начальных напряжений,
создаваемых обработкой.
16
Если глубина проникновения эпюры начальных напряжений от обработки
меньше, чем глубина активной части эпюры до обработки, образуется
результирующая эпюра начальных и остаточных напряжений от взаимодействия
вносимых и имевшихся в поверхностном слое напряжений. Наиболее достоверно
она может быть определена экспериментальным путем.
Форма поперечного сечения детали оказывает существенное влияние на
направление и величину результирующих остаточных деформаций.
Большое влияние на остаточные деформации маложестких деталей
оказывает технологическая схема обработки. Для деталей типа маложестких
дисков наиболее нерациональной является схема раздельной обработки одной и
другой стороны. Меньшие деформации возникают, когда операции обработки
внутренней и наружной стороны чередуются.
На основании результатов теоретических и экспериментальных
исследований, анализа технологических и конструкционных факторов в работе
сформулированы принципиальные положения по снижению технологических
остаточных деформации маложестких деталей типа дисков.
При односторонней обработке для уменьшения остаточных деформаций как
можно точнее должно соблюдаться условие равенства изгибающих моментов от
удаляемых вместе с припуском на обработку остаточных и вносимых обработкой
дополнительных начальных напряжений. В случае отсутствия технологических
наследственных остаточных напряжений необходимо, чтобы эпюры начальных
напряжений от обработки имели минимальные интегральные характеристики.
Управлять технологическими остаточными деформациями деталей
возможно путем регулирования остаточных напряжений в заготовке с учетом
последующей обработки, распределением припуска на обработку с учетом
остаточных напряжений в заготовке и начальных напряжений от обработки,
выбором методов обработки, параметров инструмента, режимов обработки и
последовательности технологических операций. Кроме того, эффективного
снижения деформаций можно достичь корректировкой технологических или
конструкторских баз, применением предварительного упругого или упругопластического изгиба.
Исходя из этих положений разработан алгоритм проектирования
технологического процесса обработки маложестких деталей (рис. 9.) с учетом
влияния остаточных деформаций на точность обработки.
Разработаны рекомендации по технологическому обеспечению заданной
точности маложестких дисков путем управления технологическими остаточными
деформациями и обеспечению качества поверхностного слоя, которые были
использованы при разработке и внедрении прогрессивного технологического
процесса изготовления маложестких дисков ГТУ на ФГУП ММПП «Салют».
17
Заготовка
в заготовке и их регулирование
Распределение припусков на обработку с
учетом σ0х (а), σ0у (а)
Разработка (корректировка) технологической
схемы и маршрута обработки
Выбор оборудования, инструментов,
режимов и условий обработки
Определение остаточных напряжений σ0х (а),
σ0у (а) по переходам и операциям ТП
и операциям техпроцесса
Определение начальных напряжений σнх(а),
σну(а) по переходам и операциям техпроцесса с
учетом технологической наследственности.
Точность обработки, состояние поверхностного слоя,
производительность
Определение остаточных напряжений σ0х (а),
σ0у (а) в заготовке и их регулирование
Определение (расчет) остаточных
деформаций по переходам и операциям ТП
Корректировка технологического маршрута и
условий обработки
Рис. 9. Алгоритм проектирования технологического процесса обработки
маложестких деталей с учетом влияния остаточных деформаций на точность
обработки и состояние поверхностного слоя
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
1.
В результате комплексных теоретических и экспериментальных
исследований технологических остаточных деформаций деталей типа
маложестких дисков ГТУ выявлены связи, определяющие влияние
технологических факторов обработки на достигаемую точность дисков, на
остаточные деформации и напряжения в их поверхностном слое, что
представляет собой новое решение актуальной научной задачи.
2.
Установлено, что основной причиной технологических остаточных
деформаций дисков являются технологические наследственные остаточные
напряжения и начальные напряжения, возникающие при обработке. Показано,
18
что при нерациональной структуре и параметрах технологического процесса
изготовления маложестких дисков технологическая наследственность оказывает
доминирующее влияние на операционные и на конечные остаточные деформации
дисков.
3.
На основании результатов дробного факторного эксперимента
разработаны математические модели для расчета главной интегральной
характеристики (площади эпюры) начальных радиальных и тангенциальных
напряжений, которые возникают при торцовом точении, что позволяет
определить рациональные условия обработки, обеспечивающие минимальные
остаточные деформации.
4.
Установлено, что наибольшее влияние на начальные напряжения и
остаточные деформации маложестких дисков при торцовом точении оказывают
продольная подача, величина износа резца, а также передний угол и радиус
вершины резца.
5.
При чистовом точении с малой глубиной резания 0,2…0,5мм
существенное влияние на формирование остаточных напряжений оказывает
глубина резания, однако с увеличением глубины резания более 0,5 мм
интенсивность влияния глубины резания на остаточные напряжения и
деформации маложестких деталей уменьшается. Так, при глубине резания 0,5-1,5
мм остаточные деформации увеличиваются только на 10-15%.
6.
Лезвийная обработка (точение, строгание) никелевых сплавов,
коррозионно-стойких и углеродистых сталей формирует в поверхностном слое
начальные напряжения растяжения величиной до 500 МПа, которые вызывают
при односторонней обработке положительно направленные остаточные
деформации. При лезвийной обработке титановых сплавов наблюдается обратная
закономерность. В поверхностном слое образуются начальные напряжения
сжатия величиной до 450 МПа, которые вызывают отрицательно направленные
остаточные деформации.
7.
Экспериментально
исследованы
и
установлены
основные
закономерности влияния методов и технологических факторов обработки
маложестких дисков и пластин на технологические начальные напряжения и
остаточные деформации с учетом технологических наследственных остаточных
напряжений.
8.
Разработанный алгоритм проектирования технологического процесса
обработки дисков с учетом влияния остаточных деформаций на точность
маложестких
дисков
позволяет
путем
выполнения
определенных
технологических мероприятий по ходу процесса значительно уменьшить
остаточные деформации и напряжения, обеспечив достижение требуемой
точности и качества поверхностного слоя дисков.
9.
Рекомендации по технологическому обеспечению заданной точности
маложестких дисков и обеспечению качества поверхностного слоя путем
управления технологическими остаточными деформациями внедрены, они
используются при проектировании прогрессивных технологических процессов
изготовления маложестких дисков ГТУ на ММПП «Салют» и в учебном процессе
ВУЗов.
19
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
В рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1) Овсеенко Е.С. Технологическая наследственность, остаточные
напряжения и деформации маложестких деталей типа дисков.//Известия вузов.
Сев-Кавк. регион. Технические науки, №1, 2011, с. 93-98.
2) Овсеенко Е.С. Поверхностный слой маложестких деталей, упрочненных
методами поверхностного пластического деформирования.//Известия вузов. СевКавк. регион. Технические науки, №2, 2011, с. 52-55.
3) Овсеенко Е.С. Метод и устройство для определения остаточных
напряжений в образцах и трубках малого диаметра// Терехов В.М., Могутов И.В.,
Клауч Д.Н., Овсеенко Е.С./ Технология машиностроения, №2, 2011, с.43-47.
4) Овсеенко Е.С. Обеспечение качества изготовления маложестких дисков
газотурбинных установок путем снижения технологических остаточных
деформаций.// ГИАБ, №3, 2011, с.307-310.
5) Овсеенко Е.С. Качество поверхностного слоя деталей, упрочненных
методами поверхностного пластического деформирования./ Овсеенко А.Н., Клауч
Д.Н., Кущева М.Е., Овсеенко Е.С.// Упрочняющие технологии и покрытия, №6
(66), 2010, с.13-20.
В других изданиях:
6) Овсеенко Е.С. Управление технологическими остаточными
деформациями маложестких деталей типа дисков./ Материалы Всероссийской
научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2010»,
Москва, 16-18 ноября 2010г., с.29-30.
7) Овсеенко Е.С. Определение технологических остаточных напряжений в
поверхностном
слое
глубоких
отверстий
деталей
энергоустановок./
Производство. Технология. Экология. Научные труды Международной
конференции «ПРОТЭК’08», Москва, 2008, том 2 с.157-163.
8) Овсеенко Е.С. Технологические остаточные деформации деталей малой
жесткости и методы их снижения./ Материалы IX Международной научнопрактической
конференции
«Проблемы
синергетики
в
трибологии,
трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике», Новочеркасск:
ЮРГТУ(НПИ), 2010, с.87-90
9) Овсеенко Е.С. Обеспечение качества изготовления маложестких дисков
газотурбинных установок за счет снижения технологических остаточных
деформаций./Материалы
XIV
Международной
научно-практической
конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2010, с. 150154.
10) Овсеенко Е.С. Управление технологическими остаточными
деформациями маложестких деталей типа дисков.//Овсеенко Е.С., Овсеенко
Ю.С./Материалы XIV Международной научно-практической конференции
«Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2010, с. 147-150.
20