Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
1.1 Экстремальные условия эксплуатации транспортных машин и их нагруженных деталей 15
1.2 Конструктивные и технологические особенности нагруженных деталей транспортных машин 16
1.3 Прогрессивные технологии получения заготовок из высокопрочных сплавов 18
1.4 Проблемные вопросы разрушения материалов деталей транспортных машин 22
1.5 Характер отказов нагруженных деталей в экстремальных условиях при нестационарных нагружениях 26
1.6 Способы обработки поверхностей сложной формы абразивом 33
1.7 Обработка поверхностей сложной формы методами поверхностного пластического деформирования 37
1.8 Электрические методы обработки 39
1.9 Классификация объектов и средств обработки 40
1.10 Возможные направления моделирования комбинированной обработки...43
1.11 Условия формирования поверхностного слоя в процессе комбинированной обработки 49
1.12 Постановка цели и задач исследований 52
2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ БЕЗДЕФЕКТНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
2.1 Конструктивно-технологическая классификация нагруженных деталей транспортных машин 55
2.2 Механизм разрушения поверхности в экстремальных условиях 58
2.3 Основные закономерности процесса комбинированной обработки поверхностей сложного профиля 61
2.4 Параметры управления и контроля качества процесса комбинированной обработки, методы их определения 69
2.5 Методика анализа механизма контактирования гранул с поверхностью 78
2.6 Основы кинематики движения обрабатывающей среды в канале 83
2.7 Схема способа виброэкструзионной обработки 89
2.8 Методика определения динамических параметров процесса виброэкструдирования 94
2.9 Классификация основных факторов, определяющих качество комбинированной виброэкструзионной обработки 96
3 ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ
3.1 Оптимизация гранулометрического состава рабочей среды 104
3.2 Исследование особенностей кинематики и динамики процесса виброэкструдирования 108
3.3 Анализ равномерности динамического воздействия рабочей среды на поверхности межлопаточного канала 122
3.4 Анализ влияния высоты и массы столба рабочей среды на интенсивность процессов виброэкструзионной обработки 128
3.5 Исследование процесса формирования микрорельефа поверхности при комбинированной обработке 136
3.6 Исследование процесса деформирование поверхностного слоя канала 158
3.7 Образование остаточных напряжений при различных типах соударений.. 164
3.8 Исследование зоны пластичности и глубины наклепа 170
3.9 Распределение остаточных напряжений по профилю канала 176
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1 Основные характеристики ударного воздействия столба гранулированной рабочей среды на открытые поверхности детали 189
4.2 Характеристики силового воздействия гранулированной рабочей среды на поверхности межлопаточных каналов 212
4.3 Влияние условий обработки на показатели качества поверхности межлопаточного канала нагруженных деталей 221
4.4 Сравнительная эффективность различных методов упрочнения межлопаточного канала 238
4.5 Технологические аспекты анодного растворения металла в процессе комбинированной обработки 260
4.6 Усталостные испытания в экстремальных условиях 267
4.7 Параметрические испытания натурных деталей и агрегатов по эксплуатационным характеристикам 271
5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ НАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
5.1 Компоновочные решения при создании средств технологического оснащения 274
5.2 Перспективные проектные разработки 285
5.3 Оборудование 288
5.4 Рекомендации по проектированию технологического процесса 292
5.5 Требования к оборудованию 295
5.6 Рекомендации по выбору процедуры управления качеством 297
6 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
6.1 Использование результатов работы на типовых деталях транспортных машин, работающих в экстремальных условиях 299
6.2 Расширение области использования комбинированной виброэкструзионной обработки 303
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 309
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 312
ПРИЛОЖЕНИЕ 336
Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение качества машин, используемых в транспортных системах различного назначения, всегда является актуальной проблемой машиностроения. Большая часть транспортных машин работает в условиях нестационарного воздействия знакопеременных нагрузок, повышенных и криогенных температур, газообразного и жидкого водорода. Это мощные дизели, агрегаты турбонаддува сталеплавильного оборудования, турбокомпрессоры и турбонасосы для авиационно-космической техники и транспортирования природного газа, насосные агрегаты технологических линий различных отраслей промышленности, в том числе - металлургических, химических и криогенных производств. Они эксплуатируются при критических знакопеременных нагрузках, многоцикловых нагружениях при кавитации и пульсации высоких рабочих давлений, в агрессивных водородосодержащих средах с воздействием межкристаллитной коррозии, в широком диапазоне рабочих температур.
В наиболее экстремальных условиях находятся детали, работающие в среде жидких газов, например - в водороде, где давление жидкой среды на поверхность детали может достигать 55 МПа. Стенки таких деталей достаточно тонкие, и с другой стороны стенки может происходить горение кислородно-водородной смеси, где градиент температур по толщине может достигать 2500-3000 К. В течение многих лет проводились исследования по повышению качества поверхностного слоя деталей технологическими методами, определяющими общий уровень качества транспортных машин. Установлено, что при больших перепадах температур в присутствии жидкого водорода и газообразной среды на границах с деталью поверхность не должна иметь местных микроуглублений, в которые под давлением попадает водород: происходит интенсивное наводораживание и охрупчивание материала. За счет известного эффекта Ребиндера возникают высокие растягивающие напряжения, резко снижающие работоспособность детали при высоких знакопеременных нагрузках. Большинство деталей, работающих в среде жидкого водорода и других крио генных средах, имеют сложную геометрическую форму и ограниченный доступ обрабатывающей среды.
Примером нагруженной детали транспортной машины является рабочее колесо турбонасосного агрегата с наружным бандажом. Она выполнена из цельного куска высокопрочного сплава, где минимальный просвет между лопатками может быть менее 1 мм. Для нормальной эксплуатации транспортной машины требуется получать лопатки с погрешностями по геометрии не более ±0,1 мм, при шероховатости поверхности Ra не более 1 мкм. Усталостный характер трещин в лопатках связан с их многоцикловым нагружением, обусловленным высокочастотным воздействием переменных нагрузок из-за пульсаций давления рабочего тела. В среде жидкого водорода при наличии микротрещин это приводит к резкому усилению расклинивающего эффекта и деструкции материала. В зонах концентрации напряжений влияние водорода существенно уменьшает величину разрушающего напряжения. Анализ результатов предварительных экспериментальных исследований показывает зависимость эксплуатационных показателей лопаточных деталей в среде водорода от механических свойств материала и характеристик его равномерного упрочнения в зоне концентратора напряжений.
Проблема равномерного поверхностного упрочнения узких (1-Ю мм) межлопаточных каналов переменного сечения до настоящего времени не была решена по причине отсутствия эффективных управляемых механизированных методов и средств, позволяющих проводить «залечивание» трещиноватого слоя, наследованного от предшествующих стадий обработки. Нами предложен новый способ (патент России № 2173627), включающий комбинированную обработку каналов с формированием бездефектной поверхности при сохранении заданных технологических показателей. Его суть в том, что через канал заготовки под действием вибрации и гравитационных сил, с поджатием обрабатывающих гранул (в ряде случаев - при наложении тока низкого напряжения) проталкивается вибровязкая псевдоожиженная среда с твердым наполнителем. Это обеспечивает равномерный наклеп и микродеформацию поверхностного слоя канала переменного сечения. Подобный способ ранее не исследовался, и только после его применения при изготовлении турбокомпрессорных и насосных устройств в нефтехимической и металлургической промышленности, агрегатов автотракторных, локомотивных, ракетных и авиационных двигателей удалось повысить надежность и ресурс транспортных машин при экстремальных условиях эксплуатации. Предложенный метод направленного комбинированного упрочнения, названный виброэкструзионной обработкой, позволяет обеспечивать получение заданных показателей качества поверхностного слоя в условиях ограниченного доступа обрабатывающих сред с повышением эксплуатационных характеристик нагруженных деталей и транспортных машин в целом. Устранить микротрещины или изменить их морфологию на труднодоступных поверхностях сложного профиля с применением предложенного способа возможно при условии использования комплексных параметров, определяющих состояние поверхностного слоя деталей и конкретный эксплуатационный показатель, а также - установив законы взаимного влияния этих параметров и режимов обработки с учетом явлений технологической наследственности и управляемости этих комплексных параметров.
Научная проблема, решаемая в данной работе: установление закономерностей процессов комбинированной отделочно-упрочняющей техно- логии и обоснование способов повышения технологических и эксплуатационных параметров транспортных машин, работающих в экстремальных условиях, за счет управляемого избирательного динамического воздействия рабочей среды по предложенному способу (патент №2173627). Проблема решается на основе создания научных методов и средств для управления процессом обработки с комбинированным воздействием импульсных нагрузок по управляемым векторам подач рабочей среды и оптимизацией режимов для сложнопрофильных поверхностей при устранении микроуглублений пластическим деформированием и снижением шероховатости анодным растворением металла. Комбинированная обработка гранулированной рабочей средой является не только эффективным технологическим процессом отделки и упрочнения труднодоступных поверхностей сложного профиля, но и инструментом для управления показателями качества при создании транспортных машин, работающих в экстремальных условиях.
Диссертация выполнялась в рамках комплексной межотраслевой программы «Технология» (п. 1.28 - Поверхностное пластическое деформирование) в 1991-1995 гг., Федеральной космической программы России на 2001-2005 годы, Раздел 1, подпрограмма 10 ОКР «Корпус» (Госконтракт «Росавиакосмоса» № 256-ТЗ19/03 в 2003-2004 гг.), отраслевых и межотраслевых НИОТР (тематические карточки на 1984-1990 гг., Госконтракты РКА № 256-Т127/93 в 1993— 1995 гг., № 930-Т091/93 в 1993-1996 гг.), планов технического перевооружения предприятий отрасли в 1984-1996 гг., межвузовской программы «Ресурсосберегающие технологии машиностроения - РТМ 93.2».
Цель работы - повышение эксплуатационных показателей транспортных машин, работающих в экстремальных условиях, за счет формирования бездефектного поверхностного слоя высоконагруженных деталей посредством комбинированной обработки, расширяющей технологические возможности упрочняющего воздействия. В соответствии с целью работы были сформулированы и решались следующие задачи:
1. Создать методические основы управления процессом комбинированной обработки с целью динамического устранения наследственных явлений в поверхностном слое материала от предшествующих воздействий для снижения межкристаллитной коррозии высокопрочных сплавов в криогенных водородо-содержащих средах.
2. Разработать эффективные способы повышения эксплуатационных характеристик поверхностей каналов переменного профиля с ограниченным доступом инструмента для увеличения предела малоцикловой и многоцикловой усталости лопаточных деталей, используя в качестве оценочных показателей качества равномерность упрочнения и физико-механическое состояние микрорельефа поверхности деформированного металла.
Оптимизировать динамические и технологические параметры обрабатывающей среды для отделочно-упрочняющей обработки с учетом особенно стеи конструкции транспортных машин и эксплуатационных требований к конструктивным высоконагруженным элементам.
4. Установить закономерности влияния на состояние обрабатываемых материалов газовой и жидкой фазы криогенных сред, градиентов температур в условиях высоких импульсных нагрузок и переменных термодинамических потоков рабочего тела при знакопеременных нагружениях.
5. Разработать методики выбора оптимальных параметров управляемого процесса комбинированной обработки для использования в технологических расчетах.
6. Спроектировать технологические процессы и средства технологического оснащения для комбинированного формирования поверхности проточной части силовых деталей, с целью создания транспортных машин с повышенной надежностью и долговечностью в экстремальных условиях эксплуатации.
Методы исследований. Теоретические исследования процесса комбинированного воздействия проводились с использованием теории пластичности и упругости, теории вероятности и математической статистики, электрофизико-химических методов обработки, основных положений технической механики и технологии машиностроения. Экспериментальная проверка теоретических положений проводилась на промышленном технологическом оборудовании и лабораторных установках.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Теоретические основы механизма формирования поверхностного слоя нагруженных деталей с заданными характеристиками путем управления составляющими упрочняющих воздействий в процессе комбинированной обработки:
- закономерности изменения показателей качества поверхностного слоя узкого межлопаточного канала за счет динамических трансформаций явлений технологической наследственности от предшествующих воздействий различного рода с целью противодействия явлениям межкристаллитной коррозии;
новые способы повышения показателей качества участков поверхности сложного профиля с ограниченным доступом обрабатывающей среды в проточ ную часть детали, эксплуатирующейся в условиях агрессивных криогенных сред, термоциклических и многоцикловых нагружений;
- оптимальные динамические и гранулометрические параметры обрабатывающей среды с учетом требований к конструкции и условиям эксплуатации транспортных машин, работающих в экстремальных условиях.
2. Критерии оценки эффективности и управляемости процесса:
- основополагающий критерий качества поверхностного слоя нагруженных деталей транспортных машин, основанный на параметрах микроуглублений, наследованных от предшествующих стадий обработки поверхности;
- обобщенный интегральный критерий, характеризующий дискретное динамическое воздействие потока обрабатывающей среды в элементной зоне и отражающий эффективность упрочняющего воздействия на дискретном участке поверхности узкого межлопаточного канала нагруженной детали;
- частные дифференциальные критерии, характеризующие эффективность и управляемость процесса комбинированной обработки, учитывающие исходное состояние обрабатываемой поверхности сложного профиля и явления технологической наследственности.
3. Методические основы:
- методика выбора оптимального метода или комбинации методов отде-лочно-упрочняющей обработки исходя из конструктивно-технологических особенностей конкретной лопаточной детали, работающей в условиях нестационарных нагружений;
- методика прогнозирования достижимых показателей качества с учетом исходного состояния наследованного дефектного поверхностного слоя труднообрабатываемого материала деталей транспортных машин;
- инженерная методика расчета параметров процесса комбинированной упрочняющей обработки при заданных показателях качества поверхности сложного профиля с ограниченным доступом инструмента.
4. Результаты практической реализации технологии комбинированной обработки проточной части лопаточных деталей, обеспечивающей управление показателями надежности транспортных машин в целом.
Научная новизна. Раскрыт механизм формирования поверхностного слоя высоконагруженных деталей транспортных машин, работающих в условиях больших градиентов (от уровня горения до криогенных температур в среде жидких газов), отличающийся тем, что в нем установлены закономерности взаимного влияния состояния обрабатываемых материалов, газовой и жидкой фазы криогенных сред, градиентов температур в условиях импульсных нагрузок и переменных термодинамических потоков рабочего тела.
Разработан и защищен патентом способ формирования поверхностного слоя в сложнопрофильном канале переменного сечения с ограниченным доступом инструмента в зону обработки, отличающийся заменой постоянных нагрузок на импульсные с управляемым вектором подач и стабилизацией режимов для произвольных плавных профилей с обеспечением требуемого качества поверхностного слоя за счет устранения микроуглублений механическим воздействием и снижением шероховатости локальным анодным растворением.
Выдвинуто и обосновано новое представление о критериях оценки качества поверхностного слоя деталей, эксплуатируемых при высоких температурных градиентах, где в качестве основного оценочного показателя принимают высоту неровностей; при экстремальных условиях эксплуатации в качестве критериев должны приниматься параметры локальных микроуглублений, заполняемых газами при подпоре жидкими средами с давлением до 55 МПа.
Практическая ценность работы заключается в разработке:
- типовых технологий формирования проточной части лопаточных деталей, обеспечивающих повышение надежности транспортных машин в целом, с учетом явлений технологической наследственности от предшествующих этапов обработки;
- методики выбора оптимального способа отделки и упрочнения с учетом особенностей конструкции проточной части лопаточной машины с ограниченным доступом обрабатывающих сред в зону обработки;
научно обоснованных методов расчета параметров процесса комбиниро ванной обработки поверхности сложного профиля с учетом заданных показателей качества лопаточной детали, работающей в экстремальных условиях;
- комплекса специализированных методов и средств технологического оснащения для реализации разработанного способа обработки, защищенного патентом России № 2173627.
Научные положения диссертации использовались в учебном процессе Воронежской государственной лесотехнической академии. Результаты исследований внедрены на предприятиях г. Воронежа при обработке поверхностей сложного профиля деталей насосного и турбокомпрессорного оборудования со значительным экономическим эффектом.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях и симпозиумах «Ресурсосберегающие технологии машиностроения. РТМ-93.2» в г. Москва (1993 г.), «100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа» в г. Москва (1996 г.), «Влияние технологии на состояние поверхностного слоя -ПС 96» в г. Гожув (Польша, 1996 г.), «Обработка деталей крупногабаритных редукторов - TWW 97» в г. Конин (Польша, 1997 г.), «Разработка, производство и эксплуатация турбо-, электронасосных агрегатов и систем на их основе (СИНТ)» в г. Воронеж (СИНТ 01 - 1999 г. и СИНТ ОЗ - 2003 г.), «12th International Colloquium Tribology» (Германия, 2000 г.), «Obrovka erozyjna (elektromachining). EM-2000» (Польша, 2000), «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования - ГЕРВИКОН-2002» в г. Сумы (Украина, 2002 г.); межвузовских конференциях «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» в г. Воронеж (1998 г.), «Создание и оценка объектов интеллектуальной собственности с применением ФСА наукоемких предприятий» в г. Воронеж (1999 г.), «Новационные технологии и управление в технических и социальных системах» в г. Воронеж (1999 г.), «Нетрадиционные технологии в технике, экономике и социальной сфере» в г. Воронеж (1999 г.), «Нетрадиционные методы обработки» в г. Воронеж (2002 г.), «Системные проблемы надежности, качества, информацион ных и электронных технологий» в г. Сочи (2004 г.); на научных конференциях ВГТУ и ВГЛТА (1994 - 2003 гг.). В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась в Брянском государственном техническом университете и ФГУП НПО «Техномаш» г. Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе монография и два патента РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [2, 3] - разработка технического решения и конструктивных элементов устройств для интенсификации обработки каналов; [4] - методика расчета величины остаточных напряжений сжатия; [5] - технологические схемы обработки теплозащитных покрытий; [6, 22] - описание исследований долговечности упрочненных сплавов в эксплуатационных средах; [7] - метод виброэкструзионной обработки для повышения эксплуатационных показателей насосных агрегатов; [8] - методика выбора оптимального состава обрабатывающей среды; [10, 12] -постановка эксперимента, анализ эффективности различных схем обработки; [13] - оптимальные комбинации методов упрочнения для различных зон межлопаточного канала; [14, 15] - методика расчета оптимальных режимов обработки; [16] - концепция создания специализированного оборудования для комбинированной обработки; [17, 18, 19] - исследование влияния процессов отделки и упрочнения на показатели качества поверхности; [21] - экспериментальное подтверждение результатов обработки защитных покрытий; [23, 25, 29] — концепция построения процессов с комбинированной обработкой на основе технологий двойного назначения; [24] - модель движения гранул в узком межлопаточном канале; [26] - технологическая схема обработки каналов термонапряженных оболочек; [27] - методика расчета параметров получения микрорельефа под нанесение защитных покрытий; [28, 30, 40] - анализ характера распределения механических свойств в поверхностном слое лопатки; [31] - методика оценки системы качества при создании продукции промышленного назначения; [32, 33] - модель и методика расчета характеристик силового воздействия гранул на поверхности каналов; [34] - анализ системы технологической подготовки производства деталей с выявлением критичных элементов; [41] -анализ влияния технологических аспектов производства и наследования свойств поверхности лопаток на показатели качества; [42] - концепция проектирования технологии групповой обработки нагруженных деталей; [45] - зависимость эффективности комбинированной обработки от параметров подачи гранул в канал.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 228 наименований; содержит 335 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 121 рисунок и 9 страниц приложения.
