Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопросов и актуальность работы 9
1.1. Анализ влияния погрешности профиля и микрогеометрии на эксплуатационные характеристики лопаток 9
1.2. Об обработке лопаток из монокристаллов 14
1.3. Анализ существующих методов контроля лопаток, оценки погрешности и обеспечения точности 19
1.4. Анализ существующих методов идентификации формы профиля лопаток и ее погрешности 25
1.5. Особенности АСТПП деталей ГТД .. 30
1.6. Постановка задач исследования 33
Глава 2. Создание технологической геометрической модели пера лопаток 34
2.1. Восстановление формы профиля лопаток с использованием функции кубического в-сплаина 35
2.2. Алгоритмы определения параметров геометрических характеристик профиля лопаток 41
2.3. Идентификация формы и погрешности заданного и измеренного профиля лопаток на основе цифровой фильтрации 45
2.4 Выводы 53
Глава 3. Прогноз и обеспечение работоспособности изготовленной лопатки 55
3.1. Алгоритм имитации следствия обработки пера лопаток 35
3.2. Прогноз прочности пера лопаток 58
3.3. Прогноз стабильности характеристик компрессорной ступени 63
3.4. Доработка пера лопаток 66
3.5. Выводы 72
Глава 4. Автоматизированная технологическая подготовка производства лопаток из МНК 74
4.1. Методы повышения точности обработки деталей из МНК 76
4.2. Адаптивное управление обработкой пера лопаток из МНК по распределению микротвердости поверхности 79
4.2.1. Определение адаптивно-управляемых подачи S и глубины резания t 79
4.2.2. Определение управляемых параметров для формообразования пера лопаток 82
4.2.3. Обеспечение кинематических отношений формообразования пера лопаток 84
4.2.4. Модификация КЛШ станка РШЛ-1 87
4.2.5. Адаптивное регулирование глубины резания t управлением скоростью ленты V 88
4.3. Создание специализированного цикла для обработки на станке КЛШ оснащенным устройством ЧПУ 92
4.4. Выводы 94
Глава 5. Разработка автоматизированной системы "ПЕРО" для оценки и коррекции отклонений профиля лопаток 96
5.1. Структура программы "ПЕРО" 96
5.2. Входные, выходные данные и их обозначения в программе 99
Главные результаты работы 105
Список литературы
- Анализ влияния погрешности профиля и микрогеометрии на эксплуатационные характеристики лопаток
- Восстановление формы профиля лопаток с использованием функции кубического в-сплаина
- Алгоритм имитации следствия обработки пера лопаток
- Методы повышения точности обработки деталей из МНК
Введение к работе
Современные направления технологии производства авиационных ГТД развивается на основе широкого использования физико-математических наук и богатого опыта исследования в области технологии производства. Процесс математизации в технологии особенно важен в связи с возрастанием роли ЭВМ в технологическом проектировании и управлении производством. Использование станков с ЧПУ в процессах изготовления деталей, применение ЭВМ в технологическом проектировании и управление производством является одним из важнейших факторов роста производительности труда и повышения надежности , долговечности и экономичности авиационных ГТД.
Наиболее многочисленными специальными деталями ГТД являются компрессорные и турбинные лопатки. Взаимодействуя своими профильными частями с рабочим телом Своздухом или продуктами сгорания топлива}, они генерируют процессы сжатия и расширения в термодинамическом цикле двигателя, оказывают сильное влияние на его тягу и экономичность. Лопатки работают в тяжелых условиях: подвергаются сложному нагружению при действии газовых, центробежных сил, а также периодически возбуждающих сил, повышенных температур, коррозии и эрозии. Поэтому столь часто долговечность ГТД является прямым следствием строения лопаток, в многом определяющих массу двигателя. В то же время сложность геометрических форм лопаток, высокие требования к точности и чистоте поверхности, цены на титановые и жаропрочные сплавы, используемые для изготовления этих деталей, проводят к тому, что в общей стоимости двигателя стоимость машинокомплекта лопаток достигает 35...40% E3L А трудоемкость обработки пера составляет от 60% до 85% общей трудоемкости изготовления лопаток ГТД [36].
Значительное внимание уделено вопросам технологии механической обработки, технологическими методами повышения качеств поверхности и компьютеризации технологии изготовления лопаток в работах российских и советских ученых М. Ф. Идзона [36, 60], В.А. Шальнова [84], А.В. Подзея [69], A.M. Сулимы [67], Л. А. Хворостухина [76], В. Д. Цветкова [81], Н.М. Капустина [423, Б.М. Аронова [3], Г.3. Серебренникова [62], И.А. Иваншенко [35] и др.
Одной из важнейших задач в производстве лопаток является обеспечение проектной точности аародинамической формы пера. Решение этой задачи , с одной стороны, требует разработки оптимальных технологических решений для обработки лопаток, а с другой стороны, требует более точных методов и средств для контроля лопаток, особенно с использованием вычислительной техники.
Существующие в отрасли авиапромышленности серийные методы и средства контроля лопаток Сшаблоны, ПОМКЮ не предоставляет возможности прецизионного контроля, анализа и отбора лопаток в ступени.
В настоящее время на ряде предприятий отрасли сложились возможности широко внедрения прецизионной серийной технологии размерной доводки профиля на основе процессов вальцовки, обработки на станках с ЧПУ или ЭХО лопаток, появились соответствующие потребности разработки промышленных автоматизированных координатных цифровых систем контроля профиля с последующей математической обработкой измерений на ЭВМ с целью коррекции отклонений в процессе доработки.
В современных авиационных ГТД широко применяются жаропрочные лопатки из монокристаллических сплавов. Исследование
- 7 -их обработки показало, что аниэот-ропия физико- механических свойств оказывает влияние на процесс обработки, следовательно, на производительность, точность формы профиля и качества поверхности, использование особых технологий позволяет уменьшать влияние анизотропии.
6 этих условиях, автор данной работы считает актуальным исследование создания технологической геометрической модели профиля пера лопаток, на основе которой создается автоматизированная система для оценки отклонений формы профиля и определения технологических решений коррекции при последующей обработке (доработке), и определяются особые технологические параметры с учетом анизотропии физико - механических свойств поверхности заготовок лопаток из МНК для адаптивного управления процессом обработки на станках с ЧПУ.
В качестве результатов проведенных исследований автором данной работы С выносятся на защиту):
1. Разработаны алгоритмы восстановления формы профиля пера лопаток функциями кубического в-сплайна по таблично-заданным данным.
2. Представлен алгоритм рациональной имитации следствии обработки лопаток.
3. Предложены методы и алгоритмы идентификации формы профиля и ее погрешности по измеренным или имитационным результатам на основе цифровой фильтрации методом скользящих средних.
4. Разработаны алгоритмы оценки влияния отклонений формы профиля на прочность лопатки и стабильность характеристик элементарной ступени компрессоров с рекомендациями по коррекции отклонений при доработке.
5. Обоснована доступность реализации адаптивного управ - 8 -ления обработкой лопаток из МНК по аналитически определенной закономерности распределения поверхностной твердости пера на модернизированном устройством ЧПУ копировальном ленточно-шлифовальном СКЛШ станке типа мод. РШЛ-1, с рекомендациями по модернизации этого станка.
6. Разработаны соответствующие алгоритмы определения адаптивно - управляемых параметров режима Сподачи S, глубины резания t.) для автоматизированной генерации в среде АСТПП управляющих программ.
7. Создана автоматизированная система "ПЕРО" , обеспе чивающая реализацию предложенных методов и алгоритмов и возможность подключения к существующим на предприятиях САПР и
Анализ влияния погрешности профиля и микрогеометрии на эксплуатационные характеристики лопаток
При проектировании и изготовлении лопаток должны обеспечены: - Высокая прочность и надежность, так как лопатки испытывает большие статические и динамические Спеременные) нагрузки при высокой температуре; - Высокая степень чистоты обработки пера (Ra=0,32 мкм). Гладкая поверхность пера необходима как для уменьшения потери на трение при течении воздуха, так и для увеличения сопротивления усталости конструкции лопатки. - Высокая точность исполнения линейных и угловых размеров при изготовлении лопаток для получения одинаковых скоростей течения воздушного потока и одинаковых давлений и температур в каждом лопаточном канале.
Современные методы исследования на ЭВМ математических моделей характеристик ГТД и напряженного состояния лопаток обладают высокой степенью точности. Необходимо отметить, что инженерное исследование обычно проводится только для теоретического профиля и теоретической однородной решетки.
Малые технологические отклонения формы профиля принимаются несущественными, а их влияние обычно в проектировании не учитывается.
Методической основой исследования влияния отклонений формы лопаток, при разработке соответствующей геометрической модели профиля, могут стать существующие разработки теоретических методов и программ для ЭВМ в ЦИАМ им. П. И. Баранова, -направленные на оптимизацию характеристик компрессоров при доводке.
Именно на стадии доводки компрессора моделирование влияния технологических отклонений профиля на ЭВМ позволит выбрать и доработать соответствующую технологии изготовления профиля.
Использование существующих методов расчета характеристик компрессоров для оценки влияния технологических отклонений профиля потребует: - предварительно обосновать принимаемые пределы разброса углов кромок в линейном отклонении профиля; - построить модель идентификации результатов вычислительного эксперимента на ЭВМ, позволяющую провести оценку влияния отклонений кромок в ступенях. Предварительный анализ влияния отклонений профиля на рассогласование ступеней можно провести на основе выборочной серии расчетов характеристик на D„. Такое исследование было up проведено на предприятии в связи с потерей запасов газодинамической устойчивости компрессора С"с").
Проведенные в ходе исследования компрессора с"с ) измерения и оценки технологических отклонений формы профиля лопаток компрессоров в стандартном поле допуска показали значительные отклонения - до + 6 град..
Затем провели поверочные расчеты на ЭВМ характеристик этого серийного компрессора, при различных возможных откло-ненияхв поле допуска углов последнего(Р.К}. Эапас газодинамической устойчивости осевого компрессора оценивается, в соответствии с работой ES31, функциями вида AKy=C7tk/GB.np.3rpaH/Cnk/GB.np.W ; А7Г = 7Гк гран/Л раб. . где: Л,{ - соответственно величины степени повышения давления и расхода воздуха в компрессоре на линии рабочих режиме Сраб. ) и границе устойчивости работы компрессора Сгран.).
Проведенные поверочные расчеты показали, что возможное технологическое отклонение углов входа и выхода UP. К.) в сумме на 5 град, снижает располагаемый запас газодинамической устойчивости на 1/5 диапазона в эксплуатации, что недопустимо.
Очевидно, что в рамках исследования о влиянии отклонений формы профиля на эксплуатационные характеристики актуально нахождение простых аналитических отношений случайных отклонений формы профиля лопаток и эксплуатационных характеристик элементарной ступени.
Эти простые аналитические отношения должны базироваться на исходных моделях кинематики потока в характеристиках ступени [55,66]:
Восстановление формы профиля лопаток с использованием функции кубического в-сплаина
Функция кубического в-сплайна , как одна из широко используемых в инженерно-технической области функций, аппроксимирующих точечно-заданные поверхности, имеет ряд преимуществ. Одним из них является высокая точность аппроксимации. Это важно для создания технологической геометрической модели профиля лопаток.
Согласно СТП 349.170.14.317-83 С Описание геометрии сложных криволинейных поверхностей в АСТПП 3, рационально формирование геометрической модели профиля лопатки с использованием функции кубического в-сплайна.
Базис функции кубического в-сплайна имеет следующий вид N0 4Cu3 = ,Cl-3u+3u2-u33 Nl 4Cu} = 3! 4-6u2+3u3D N2 4Cu) = ,(l+3u+3u2+3u33 N3 4Cu) = l.Cu3) или [N04Cu)(Nli4CuD,N2i4Cu),N3(4Cu)]= 14 10 -3030 3-6 3 0 -1 3-3 0 =5i-[lfu,u2Fu3] CO $ u $ 13 C2.13 где u—параметр, относительная координата . текущей точки сплайна. Ni Ли) Cj= 0,1,2,33 - составляющие основного базиса сплайна, представляющие собой полиномы от переменной u,обеспечивающие заданные условия гладкости и непрерывности первой и второй производной в узловых точках.
Используя базис кубического в-сплайна и четыре соседних вершин vif vi+1, v(i+2 и vj+3 , кубический в-сплаин можно представить в виде их комбинации и построить кусочек кривой г А С и) кубического в-сплайна для і-того интервала изменения задающей координаты Спараметра): riCuD=t N0 4(11), 4CuD,N2 4Cu3 % 4Cu)] i Гі+І гі+г fi+3 2Nj,4Cu3Vj CO « u 1) C2.25, rACu) является интерполирущей функцией в-сплайна для і-того интервала.
Аналогично, для других четырех соседних вершин при і= ОД, ... ,п может определяться соответствующая с каждым интервалом интерполирующая функция в-сплайна. Таким образом, определяется целая искомая кривая. Очевидно, что гладкость и непрерывность первой и второй производных этой кривой обеспечиваются основным базисом функции в-сплайна ft CuD Cj= О, 1, 2, 3).
Определение значений вершин v, С i= О, 1, ,.., пЭ осуществляется следующим образом; Допустим , заданы С п+1 0 упорядочных узлов р. Ci= О, 1 п) Снапример таблично-заданные данные сечения пера лопаток ). Учитывая, что р находится на интерполирующей КРИВОЙ, ПОЛУЧИМ Общую форму : Pi4Cvi-i+4vi+vi+33 С2-5) Ci=0,l,.., ,п), где р - заданный узел.
В системе С2.53 имеется всего Сп+1) уравнений,а неизвестных вершин v всего Сп+3) С і=-1,0,... ,n,n+l), поэтому необходимы дополнительные условия для определения единственного решения системы С2.5Э. Эти дополнительные условия являются граничными условиями для всей кривой.
Для узких профилей (на пример, компрессорной лопатки) можем выбирать граничные условия (2.6), (2,73 или (2.93. В данном случае» геометрическая математическая модель состоит из кривой спинки, кривой корыта и соединявших их закруглений входной и выходной кромок.
Для некоторых профилей турбинных лопаток, радиусы кромок которых имеют большие значения, может выбираться граничное условие (2.8). При этом, геометрическая математическая модель состоит из одной целой кривой черты профиля. При некоторых специально требуемых случаях граничное условие (2.6) может использоваться. Вообще, по конкретным задачам выбирая одно из этих условий, можем получить следующие формы систем уравнений:
Алгоритм имитации следствия обработки пера лопаток
Использование функции кубического в-сплайна позволяет точно аппроксимировать профиль пера лопаток компрессоров и турбин по исходным таблично-заданным координат. С 2) Газодинамический обвод пера лопаток позволяет использовать метод скользящих средних, основанный на теории случайных процессов для цифровой фильтрации исходного задания измерений координат профиля. СЗ) Представленные алгоритмы фильтрации, основанные на устойчивости метода скользящих средних, обеспечивают эффективное сглаживание исходных Сили измеренных) кривых профиля пера лопаток, отброс "плохих точек" с помощью "коридора" и оценивание погрешности исходного задания Сили измерений) профиля и его реальной формы Скривой). С 43 Точность и эффективность фильтрации представленным методом частично зависят от выбора коэффициента Cj. Рекомендуется С.= 1/(2к+13, для профилей, имеющих относительно большую кривизну Сна пример, пера лопаток турбин) к=1. С 53 С целью обеспечения точности фильтрации и уменьшения инструментального отклонения применение условия окончания итерации С2.3-83 приемлемо. С63 Создана технологическая математическая модель геометрического образа профиля пера лопаток.
По результатам измерений профиля пера изготовленной лопатки с помощью технологической геометрической модели, представленной в 2-ой главе, можем идентифицировать и оценивать фактическую форму, ее отклонения и их влияние на прочность самих лопаток и стабильность характеристик компрессорной ступени, что позволяет технологу выбрать оптимальные технологические решения для обработки Сдоработки) пера лопаток с целью коррекции отклонений и обеспечения требуемых эксплуатационных качеств.
В п.3.1 предложены метод и алгоритмы имитации следствия обработки пера лопаток. В п. 3.2 излагается алгоритм прогнозирования длительной прочности лопаток. В п.3.3 представляется алгоритм прогноза стабильности характеристик элементарной ступени компрессора по изменениям фактических углов входной и выходной кромок изготовленных лопаток. В п. 3.4 приведены методы и алгоритмы определения технологических параметров для коррекции линейных и угловых отклонений профиля при доработке пера лопаток. П. 3.5 посвящен обобщению содержания настоящей главы.
Для прогноза величин отклонений формы пера лопаток, и следовательно, изменения ее длительной прочности и других характеристик работоспособности после предстоящей технологической операции, необходима имитация следствия обработки пера -лопаток в различных Св настоящей главе, только типичных} операциях при разных режимах.
С этой целью здесь представляется алгоритм, основой которого является следующее выражение: yri= + DCRAHDOM-dd)+ К б± СЗ.П.
Где угі - значение ординаты і-ой точки на кривой спинки или корыта пера лопатки после предстоящей технологической операции; ? - математическое ожидание ординаты той же точки, определенной функцией в-сплайна; D - параметр, значение которого в основном зависит от шероховатости и волнистости поверхности пера лопатки, полученной при обработке; обычно D-б - допуск максимальной толщины профиля; RANDOM - случайное значение в пределах от 0 до 1, его вероятность подчиняет закону прямоугольного распределения; dd - константа, отражает средний уровень RANDOMa. Обычно dd O.5; б± - значение допуска на і-тую точку профиля пера лопатки, определяющегося по 0CT102S71-86 распределения поля допуска по профилю пера лопаток следующим образом Сем.рис.3.1.3: - Для дозвуковых профилей
Методы повышения точности обработки деталей из МНК
Литейные жаропрочные сплавы на никелевой основе являются основными материалами для изготовления рабочих лопаток турбин современных газотурбинных двигателей ЛА.
Прочностные характеристики никелевых жаропрочных сплавов зависят от ориентировки приложенного тензора напряжении: : в каждой опасной точке относительно кристаллографических осей монокристалла (МНК). Монокристаллические турбинные лопатки обычно имеет кристаллографическую ориентацию С 001) относительно их вертикальной оси. Азимутальное направление осей С100) и СОЮ) не рекламентируется. Опасные точки располагаются на спинке, на входной и выходной кромках и зависят от поля температур и напряжений.
При обработки Сдоработки) деталей из МНК значительная анизотропия их механических и физических характеристик оказывает заметное влияние на производительность, точность формы и шероховатость обрабатываемой поверхности деталей 781. Поэтому при разработке технологических решений обработки деталей из МНК следует учитывать влияние анизотропии МНК на процесс обработки, стремиться к его уменьшению путем использования прогрессивного специализированного оборудования и целенаправленной технологии, а во первую очередь, к отработке режимов обработки с целью стабилизации ее процессов и улучг-, шения качеств обработанной поверхности. 5 современном производстве газотурбинных двигателей летательных аппаратов ленточное шлифование Спо копирам), обладая рядом преимуществ, широко применяется при обработке (особенно, в окончательной операции) пера лопаток из любых -материалов, в том числе и МЯК, причем одновременное двустороннею шлифование С за одну установку) узкой лентой является главным методом, позволяющим получить высокую точность формы и лучшее физико-химическое состояние поверхностного слоя обрабатываемой лопатки.
В процессе ленточного шлифования, как в процессе шлифования других видов, каждый из соответствующих видов абразива, связки, каждый из компонентов СОЖ и величайшее разнообразие сочетаний режимов оказывает влияние на процесс обработки пера лопаток.
В качестве жаропрочного сплава, монокристаллические материалы имеют сходные механические и физические свойства, в том числе и обрабатываемость, с другими жаропрочными материалами для заготовок лопаток ГТД. Поэтому многие выявленные закономерности влияния технологических параметров на процесс шлифования жаропрочных материалов и освоенные на предприятиях технологические решения для ленточного шлифования пера лопаток из поликристаллических материалов справедливы и применительны к ленточному шлифованию пера лопаток из МНК.
В данной главе рассматриваются те технологические параметры, которые оказывают влияние ва формообразование поверхности пера лопаток и являются особыми параметрами, чувствительными к анизотропии МНК. Они здесь учитываются с целью обеспечения точности формы пера лопаток при их ленточном шлифовании. На основе определения этих технологических параметров создаются соответствующие алгоритмы, с помощью которых можно автоматически выбирать эти параметры при подготовке и управлении ленточным шлифованием пера лопаток из МНК.
В п.4.1 главы обсуждаются влияние анизотропии. настоящей -МНК на качество обрабатываемой поверхности и возможность его уменьшения путем использования особых технологических параметров.
П 4.2. посвящен анализу зависимости распределения твердости по профилю пера лопатки и определению управляемых технологических параметров для адаптивного управления обработкой пера лопаток из МНК на модернизированном присоединением УЧПУ копировальном ленточно- шлифовальном СКЛЮ станке типа мод. РШЛ-1, с рекомендациями по модификации этого станка.
В п.4.3. рассматривается создание специализированного цикла (препроцессора!) для обработки пера лопаток из МНК на КЛШ станке с ЧПУ.
