Введение к работе
Актуальность темы. Авиационная промышленность – одна из самых наукоемких и ресурсоемких отраслей отечественного машиностроения. Для обеспечения высокой надежности узлов и деталей летательных аппаратов к технологическим процессам (ТП) в авиационной промышленности предъявляются повышенные требования. По мере усовершенствования и усложнения конструкции летательных аппаратов перед разработчиками постоянно ставится задача по повышению эффективности и производительности технологического оборудования.
До сих пор в авиастроении не решённой остаётся проблема автоматизации финишной обработки поверхности деталей сложной формы, в т. ч. с поверхностью двойной кривизны. Зачастую такие поверхности обрабатываются вручную. Качество поверхности, в первую очередь, её шероховатость, для такого класса деталей как лопатки газотурбинных двигателей, напрямую влияют на эксплуатационные свойства детали. Активное развитие аддитивных технологий позволило ускорить процесс прототипирования деталей сложных форм, однако финишная обработка поверхности таких деталей, которые сразу после построения обладают очень высокой шероховатостью, требует высоких трудозатрат.
Одним из перспективных ТП финишной обработки, позволяющий обрабатывать детали сложной формы без съема материала, является лазерное полирование (ЛП). Особенностью данного ТП является возможность высокой степени автоматизации обработки поверхности.
С помощью ТП ЛП может быть уменьшена шероховатость поверхностей деталей сложных форм таких, как лопатки газотурбинных двигателей, импеллеры, поверхности пуансонов пресс-форм и т. д. Однако в настоящее время ТП ЛП обладает нестабильностью качества обработки в силу отсутствия информации о качестве полирования в процессе обработки.
Для развития ТП ЛП, в частности повышения стабильности качества обработки, необходимо обеспечить непрерывный контроль шероховатости в процессе обработки.
Таким, образом, разработка системы, позволяющей проводить непрерывный контроль шероховатости в процессе лазерного полирования, является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является обеспечение стабильности технологического процесса лазерного полирования авиационных деталей за счет введения в него непрерывного контроля шероховатости по поверхности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
выбор и обоснование метода оценки шероховатости;
-
проверка применимости выбранного метода оценки шероховатости с использованием математического моделирования;
-
проектирование опытного образца СНКШ на основе выбранного метода оценки шероховатости;
-
анализ работы опытного образца СНКШ на установке ЛП;
-
модернизация ТП при использовании СНКШ для обеспечения стабильности ЛП.
Научная новизна работы заключается в полученных в ходе её выполнения результатах:
построена математическая модель процесса светорассеяния направленного оптического излучения на поверхностях, полученных с помощью ЛП;
в рамках математического моделирования определен параметр полуширины светорассеяния; корреляция полуширины светорассеяния со стандартизованными параметрами шероховатости подтверждена как теоретически, так и экспериментально;
экспериментально подтверждены следующие возможности СНКШ:
-
контроль технологии ЛП авиационных деталей в диапазоне значений шероховатости, характерных для ТП ЛП;
-
определение ортотропии шероховатости поверхности, полученной с помощью ЛП;
-
оценка шероховатости поверхности на детали сложной формы (лопатка) в процессе обработки.
На защиту выносятся положения:
-
модель светорассеяния лазерного излучения (ЛИ) на шероховатых металлических поверхностях;
-
разработанный опытный образец бесконтактной СНКШ на основе скаттерометрического метода для измерения в процессе ЛП;
-
результаты внедрения СНКШ на установку для ЛП.
Практическая значимость работы состоит в разработке бесконтактной СНКШ, как вспомогательного средства осуществления ТП ЛП авиационных деталей, и её внедрении на установку для ТП ЛП, что позволяет обеспечить стабильность качества обработки, а также является частью решения проблемы по созданию контура обратной связи по качеству обработки для ТП ЛП. Результаты, полученные в рамках работы, использованы при составлении технологических рекомендаций № 1.4.2390-2016.
Разработанная СНКШ позволяет оценить
шероховатость по поверхности, а не по профилю, как ряд традиционных методов измерения. Измерение шероховатости по поверхности дает более полную информацию о качестве поверхности, поскольку не всегда можно правильно оценить направление измерения шероховатости. Это особенно важно для экспресс-метода оценки, когда нужно принять решение о повторной обработке либо изменении параметров обработки. Разработанная СНКШ позволяет оценить шероховатость поверхности сложной формы.
Методы, применяемые в работе. Для решения поставленных задач использовались методы планирования эксперимента, корреляционного и статистического анализа, гармонического анализа. При экспериментальном исследовании применялись скаттерометрический, профилометрический и интерферометрический методы измерения шероховатости. Математическое моделирование проводилось с помощью пакета MATLAB. Программное обеспечение написано с использованием UML-моделей.
Степень достоверности полученных результатов.
Обоснованность полученных в диссертационной работе закономерностей и характеристик, а также достоверность результатов исследований основана на использовании
общепринятых методов и методик планирования и проведения
экспериментальных исследований, применении
сертифицированных средств измерений, современных методов
и продуктов программного обеспечения. Полученные
результаты согласованы с известными теоретическими
положениями. Проведена статистическая обработка данных
эксперимента. Достоверность разработанных способов
контроля состояния поверхности подтверждена
экспериментально.
Апробация работы. Основные результаты
диссертационной работы докладывались на научных форумах:
VII международной научно-технической конференции
«Лучевые технологии и применение лазеров» (Санкт-
Петербург, 2012, СПбГПУ), III Международной научной
конференции «Фундаментальные исследования и
инновационные технологии в машиностроении» (Москва, 2014,
ИМАШ РАН), Международной инновационно-
ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС – 2015» (Москва, 2015, ИМАШ РАН), II конференции по лазерному полированию (2nd Conference on Laser Polishing) LaP 2016 (Аахен, Германия, 2016, Фраунгоферовский Институт Лазерной техники (Fraunhofer ILT)).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, 12 из них в журналах из перечня рецензируемых научных изданий ВАК России и приравненных к ним.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 92 наименований. Работа изложена на 119 страницах, содержит 64 рисунка, 9 таблиц.