Технологическое обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей гидроагрегатов двигателей летательных аппаратов на этапах проектирования, изготовления и контроля Лукиянчук, Ирина Николаевна

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Лукиянчук, Ирина Николаевна. Технологическое обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей гидроагрегатов двигателей летательных аппаратов на этапах проектирования, изготовления и контроля : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.07.05.- Москва, 1994.- 17 с.: ил.

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ. Качество двигателей летательных аппаратов в значительной степени определяется работоспособность» гидравлических систем.- Высокие требования к их надежности объясняются теи, что отісава агрегатов и систем шгут привести к разрушению летательного аппарата.

Анализ видов отказов показал, что доля отісазоз, прнходя-взяся на золотниковые и плунжерные пары довольно высока. К этим отказам относятся: внутренние и внешние утечки рабочей аздкости; износ прецизионных пар; ввклинивание и повышенное усилие страгиванкя.

Возрастание заворов в плунжерных парах вследствие износ. является недопустимым, так как при этом изменяются параметри гидравлических систем.

На величину износа большое влияние оказывает состояние рабочих поверхностей деталей гидроагрегатов. От качества поверхностного елся зависят эксплуатационные свойства - сопротивление усталости, . износостойкость, коррозионная стойкость и др. Связь характеристик качества поверхностного слоя с зкеплу-атационныни свойствами деталей свидетельствует о том, что оптимальная поверхность должна быть достаточно твёрдой, имзть саямаюиие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную Форедт микронеровностей с большой шгощадьв опорной поверхности. Это шжет быть достигнуто поверхностным пластическим деформированием (ППД).

В настояя-ее время проектирование технологических процессов осуществляется с использованием САПР ТП, обеспечивающих требуемое качество изготовления деталей при минимальной себестоимости. Однако, использование в САІІР ТП упрочняющих катодов обработіси затруднено недостаточной их формализацией, классификацией и отсутствием соответствующих математических моделей. В вязи с этим является актуальной разработка автоыа-

ткзированных систем для іщюектирования,изготовления и контроля деталей гидроагрегатов.

ЦЕЛЬ Р.'. БОТЫ. Обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей гидроагрегатов двигателей летательных аппаратов на основе создания автоматизированных систем, используемых при проектировании, изготовлении и контроле.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложена методика определения параметров поверхностного слоя по веданным эксплуатационным свойствам деталей гидроагрегатов. Обоснован математический метод решения указанной задачи, созданы алгоритмы и программа для ЭВМ.

Щюведён анализ упрочняющих методов обработки, их формализация и классификация, на основе которых были разработаны классификатор методов упрочнения и методика выбора метода по параметрам качества поверхностного слоя деталей. Создана таблично-сетевая модель процесса алмазного выглаживания, поэ-" воляюиая назначать режимы обработки, выбирать оборудование, оснастку и инструмент.

Для комплексной критериальной оценки параметров поверхностного слоя предложен метод магнитного контроля, на который получено Авторское свидетельство N1583733.

Разработана методика прогнозирования антифрикционных
свойств поверхности деталей гидроагрегатов с регулярным микрот
рельефом (РМР).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в решении актуальной народнохозяйственной задачи повышения надёжности изделий на основе технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя деталей гидроагрегатов на этапах проектрова-ния, изготовления и контроля.

Предложенный метод векторного анализа позволяет с помощью ЭВМ на этапе проектирования деталей гидроагрегатов назначать значения параметров поверхностного слоя по заданным эксплуатационным свойствам, что позволяет в значительной степени облегчить работу конструктора-проектировщика Разработаны алгоритмы и программа для ЭВМ, предназначенные для практически-

- З .-го назначения параметров поверхностного слоя деталей гидроаз¹-регатов.

Разработаны и Бнэдрены информационно-поисковые система режимов обработки, оборудования, оснастки и инструмента для осуществления проектирования технологического процесса алмазного выглаяивания технологом в автоматическом режиме.

Создан прибор для магнитного контроля комплексного критерия параметроз поверхностного слоя с учётом анизотропии фкаико-механических свойств. Ка прибор получено Авторское свидетельство N470454. Предложена формула для расчета величины износа с учётом анизотропии поверхностного слоя.

АПРОБАЦИЯ. Результаты исследований" докладывались на КГК молодых ученых и специалистов- МАТИ в 1988-89 гг., ни Всееояз-ных Гагаринских чтениях в 1989 г., на- Научно- техіш«есі:ой конференции МШУ в 1994 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам исследований было опубликовано 8 статей, получено 2 авторских свидетельства.

ОЯЬ2Ы PAB0TU. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литоратуры и приложении. Ока содержит /27 страниц машинописного текста.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приводится анализ отказов гидроагрегатов авиационных двигателей. Установлено, что в результате длительных испытаний в Z0-30Z случаях причинами отбраковки были повреждения деталей гидроагрегатов: износ, коррозия, потери герметичности. Алмазное выглаживание, применяемое з качестве финишной обработки, позъоляет снизить внешние и внутренние утечки, усилие страгивания, коррозищ и износ.

Выявлено влияние параметроз поверхностного слоя на работоспособность деталей маїтен и, а частности, деталей гидроагрегатов. Показано, что параметра позерхностного слоя (макро и иикрогесм8і..ия поверхности, фяэкко-ыеханическиэ и химические свойства) по-рззному влиякт на работоспособность деталей гидроагрегатов. Оі/ечєно, что 'Зольное влияние на параметры по-

- 4 -верхностнрго слоя оказывают отделочно-упрочняющис метода обработки. Однако, в настоящее время отсутствует методика- обоснования и выбора параметров поверхностного слоя деталей гидроагрегатов, обеспечивающих их заданные эксплуатационные свойства. Проведен анализ имеющихся в настоящее время критериев, позволяющих оценить в той или иной.степени качество поверхностного слоя. - Отмечено, что наиболее эффективными являются комплексные критерии, учитывающие как геометрические, так и физико-механические параметры поверхностного слоя. Эти критерии поэволяш прогнозировать эксплуатационные характеристики деталей, напрмер, износостойкость по параметрам поверхностного слоя. Однако, дашэ самые шогофакторные критерии (Крагельско-го НЕ, Рыжова Э. В., Суслова А. Г., Камбалова Е С., Валетова В. А. и др.) не учитывают многих существенных параметров поверхностного слоя, влияющих на эксплуатационные свойства, например, направление шероховатости и волнистости.

Поскольку большинство параметров поверхностного сдоя фор-.мкруются на этапе отделочно-упрочняющей обработки, были рассмотрены методы упрочнения поверхности деталей машин, применяемые в настоящее время. Проведённый анализ показал, что существующие классификаторы не позволяют чётко разграничивать различные методы упрочнения, другим недостатком созданных классификаторов является то, что методы ПЦЦ рассматриваются не с точки зрения обеспечения ими. необходимых характеристик поверхностного слоя, а с позиции их .технологических „особеннот стей. Это обстоятельство не ' позволяет использовать существующие классификаторы е" САПР ТЕ, Кроме того, недостаточная формализация методов ПОД затрудняет математическое моделирование рабочих процессов, осложняет их применение в САПР ТЕ

Исходя из проведённого анализа, сформулированы основные выдачи диссертационной работа Ревение данных задач предусматривает разработать:

Автоматизированную систему, обеспечивающую выбор параметров поверхностного слоя по заданным эксплуатационном свойствам деталей гидроагрегатов.
Автоматизированную систему проектирования технологических процессов отделочно-упрочняющих методов обработки дата-лей гидроагрегатов на примере алмазного выглаживания. '

і&тодику и прибор для комплексной критериальной оценки качества поверхностного слоя, позволяющей прогнозировать износостойкость.
Методику прогнозирования антифрикционных свойств деталей гидроагрегатов, имеющие регулярній микрорельеф поверхности.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ изложены результаты обоснос^:- : выбора параметров поверхностного слоя деталей по заданным эксплуатационным свойствам. 11а основании анализа, проведенного в первой главе, работоспособность деталей гидроагрегатов характеризуется следующими орновньаю свойствами:

1.износостойкостью;

коррозионной стойкостью;
коэффициентом трения;

4.величиной утечки рабочей жидкости;

Б. рабочим напряжением в поверхностном слое.

В свою очередь, эти эксплуатационные свойства определяется следующими основными параметрами поверхностного слоя;

шероховатостью;
волнистостью;

3.величиной микроотклонений;

шагом микренеровностей;
наклйпом.

Параметры поверхностного слоя зависит от технологии изготовления деталей и особенно от огделочно-упрочяявинх методов обработки. Таким образом, метод обработки, оборудование, инструмент, оснастке и режимы влияют через выше указанные параметры поверхностного слоя и эксплуатационные свойства на работоспособность деталей гидроагрегатов.

Ні основании анализа работ И. В. Крагельского, Э. В. Рыжова, А. Г. Суслова и других были рассмотрены зависимости эксплуатационных свойств от параметров поверхностного слоя. Это позволило выбрать и систематизировать критерии, которые дают возможность наиболее полно оценить работоспособность деталей гидроагрегатов. Предложенная нами система включает следующие критерии:

1. Износостойкость

i/c ?/с ih fz

i_a (Ла-WM. 'Ншх) JfKr-f \ ⁿ

где: я»- среднее арифметическое отклонение, UKMJ Wt - волнистость, мкм; И mar макроотклонения, мкм; t_m~ опорная длина, X; $„, - средний шаг неровности, мкм; К - наклёп; 2Д, - износостойкость; X - коэффициент; р - контактное давление, МРа; Л - число циклов воздействия, приводящих к

разрушению материала при изнашивании; - модуль упругости материала, Ша; и, - коэффициент Пуассона.

2. Коррозионная стойкость

П - - 0,068 + 0.046К + O,0O3RmaX - 0,143Sm 0.044^/2/

где: П - пройицземость, мм/год;

К - степень упрочения; Rmax - максимальная высота профиля, мкм; S - средний шаг неровностей, мкм; t^ - опорная длина профиля, X.

3. Величина утечки рабочей жидіюсти

л Z.St-clHmax-&Р

/з/

где: "mix максимальная высота макроотклонения, мкм; АР - перепад давления, Пі; d - диамэтр.мм;

У- вягкость рабочей яркости, ест; \г - плотность рабочей жидкости, г/см ; і - длина, мм.

4. Коэффициент трения

. вві .доз , л -0С6

где; ІҐ - скорость перемещения, м^сек; // - усилие, Н;

$- среднее арифметичэское отклонение профиля, мкы.

5. Рабочее напряжение в поверхностной сдое

* 6т /Б/

где: К - степень упрочнения;

(Г_г~ предел текучести материала, Па.

Мэтодика определения параметров поверхностного слоя по ваданним эксплуатационным свойствам базируется на векторном анализе, эаклшаюфмея в представлении эксплуатационных свойств в Еиде вектора У^в п-морном пространстве, координатами которого является параметры поверхностного слоя X :. Решение задачи возможно, если число векторов меньше или равно числу координат. Совокупность векторов - эксплуатационных свойств в п-мерном пространстве координат - паракетроа поверхностного слоя и определяет работоспособность детали.

Систекз нелинейных уравнений представляет собой ьиалитн-ческуп запись векторного пространства:

1 у

1 [RcfWt- Птах)* /( <,'t^Z ) Or' Є ГУ

/Ы

Поскольку такие системы не имеют решения в аналитической форме, бал использован численный метод решения, заключающийся в локализации значений корней уравнении посредством последовательных иттераций модернизированн-м методом Ньютона- Рафсона. Для решения конкретной системы уравнений был разработан алгоритм й программа "Анализ" для ГОШ. Отладка и' проверка программы осуществлялась на конкретном плунжерном соединении. Она показала достаточную эффективность предложенного метода.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена вопросу определения метода финиш
ной обработки с использованием математической модели процесса'
упрочнения ка примере алмазного выглаживания. ' . ,

С целью применения в САПР ТП была произведена формализация и классификация технологических методов упрочнения, применяемых в настоящее время. Для описания методов упрочнения предложено использовать следующие основные параметры процесса: *ра-6очр тело; характер воздействия ; твёрдость; геометрия и размер рабочего тела; изменение массы детали; траектория движения рабочего тела; наличие деформации детали и энергоноситель. На основании таблицы соответствия методов упрочнения была построена граф-схема выбора конкретного метода по его рабочим характеристикам. Разработанный классификатор технологических методов упрочнения в достаточной степени формализован, что позволяет использовать его в САП? ТП. Так как на практике значительно чащэ метод упрочнения выбирают исходя из требуемых параметров

качества поверхностного слоя, был разработан технологический классификатор методов упрочнения.

Классификатор представляет собой таблично-сетевую модель, показывающую связь между множеством методоп упрочнения ППД и параметрами состояния поверхностного слоя (шероховатость, степень упрочнения, точность обработки) и формами поверхностей. Анализ таблицы соответствия показывает, что наиболее универсальным методом ПЦЦ по достигаемым параметрам поверхностного слоя является процесс алмазного выглаживания. Поэтому рекомендована отделочно-упрочняющая обработка алмазным выглаживанием широкого класса деталей и в том числе деталей гидроагрегатов летательных аппаратов.

В связи с этим была разработана математическая модель на примере алмазного выглаживания, позволяющая осуществлять гыбор режимов обработки,' оборудования, оснастки, инструментов з зависимости от параметров состояния поверхностного слоя прецизионных пар трения гидроагрегатов в автоматизированном режиме.

Входной информацией для математической модели являются:

данные о детали (материал, вид обрабатываемой поверхности, шероховатость, твердость, точность, остаточные напряжения, наличие покрытий, наличие термообработки и т.д.);
данные о различных инструментах .(материал, форма, размер);
данные об оснастке (тип, размер, область применения):
данныэ об оборудовании (допустимые габариты обрабатываемой детали,тип, точность, мощность);
режимы обработки для различных материалов.

Выходной информацией математической модели. являются: режим обработки, инструмент, оснастка и оборудование, необходимые для выполнения операции упрочнения 'конкретной детали.

Для определения последовательности выбора элементов технологического процесса в зависимости от конструктивно-технологических свойств детали был разработан граф их взаимосвязи.

Созданная математическая модель реализована на ЭЩ ЕС-1033 с использованием базовой программы VP SAPR. Для нормального функционирования САПР ТП алмазного выглаживания были разработаны информационно-поисковые системы (ЛЕС), которые содержат информацию об инструментах, оснастке, оборудовании и режимах обработки различных материалов. ИПС представляет'собой

- 10 -
банк данных, необходимый для проектирования технологического
процесса и алгор;гтмы, позволяющие целенаправленно выбирать
требуемую информацию. Структура ИГО позволяет осуществлять г
дальнейшее развитие и наполнение. «

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрен комплексный критерий качества поверхностного слоя и исследована возможность прогнозирования на его основе эксплуатационных свойств деталей, в частности износостойкость.

Разработана методика определения." комплексного критерия магнитным способом, позволяются учитывать направление шероховатости. Это достигается тем, что' наряду с усилием отрыва постоянного магнита от контролируемой поверхности замеряется такжо усилие страгивания магнита (Авторское св. N1583733).

Для комплексного контроля параметров состояния поверхностного слоя деталей машин был разработан прибор, учитывающий анизотропию физико-механических свойств поверхностного слоя (Авторское св. N470454).

Экспериментальные исследования влияния анизотропии физико-механических свойств поверхностного слоя на износостойкость осуществлялись на образцах из стали 38ХМИА, обработанные различными технологическими методами: плоским шлифованием, алмазным выглаживанием, фрезерованием и пескоструйной обработкой.

Зная анизотропию физико-механических, свойств поверхности, можно предсказать величину износа в одном.,направлении по известной величине износа в другом направлении. На₍ основании экспериментальных данных была получена 'формула, связывающая величину износа с коэффицентом анизотропии:

и^-и^а+д) /7/

где: И₍ -

_{. к-}

прогнозируемый износ в направлении параллельно следам обработки, мкм;

износ в лаправлении перпендикулярно следам обработки, полученный экспериментально, мкм; коэффициент анизотропии физико-механических характеристик поверхностного слоя, определяемый в соответствии с предложенной методикой.

Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 15%,. что свидетельствует о правильности предложенной методики. Однако, удовлетворительные результаты были получены только для поверхностей, обработанных традиционными методами финишной обработки (шлифованием, полированием, алмазным выглаживанием).

Оценить качество поверхностей с регулярным микрорельефом (РМР) по предложенной методике не представилось возможным, так как они обладают ярко выраженной анизотропией свойств и широким диапазоном изменений параметров поверхностного слоя.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ предложена методика экспериментальной оценки антифрикционных свойств деталей гидроагрегатов в зависимости от геометрических параметров поверхностного слоя, полученных различными технологическими методами. При этом особое внимание уделялось поверхности с РМР. Для образования регулярного микрорельефа использовался метод вибровыглахивания, основанный на тонком пластическом г "'формировании поверхностных слоев металла и сложном относительном перьмещекии обрабатываемой поверхности и деформирующего элемента.

Для оценки антифрикционных свойств поверхностного слоя с РМР была разработана специальная установка. Она представляет собой маятник с боль'лим моментом инерции. Фрикционные характеристики контакта' определялись по особенностям затухания колебаний, в процессе которого фиксируэтся величина крутящего момента. Измерения проводились в условиях плоского кольцевого контакта. Расчёт его фрикционных характеристик проводился по следующей формуле:

Гтр - /8/

к ' Rnp Ра

. где: Мкр - крутящий момент, Нм;

Rnp - приведенный радиус, м;

А - номинальная площадь контакта, м²;

Гтр - коэффициент трния.

- 12 -Экспериментальные исследования проводились на образцах из, стали 38ХМЮА после шлифования, гладкого выглаживания и нанесения регулярного микрорельефа в виде сетки канавок.

Значении коэффициента трения, полученные эсперимектально, представлены в таблице 2.

Таблица 2.

коэффициент трения

обработки Н-

Fa-бО ЫПа | ?а-80 Ша

| Ра-го Ша | Ра-40 ЫПа

Шлифование 10,115/0,115 Вытлзлквание!0,135/0,045

рельеф 1 2 , 3 4 Б 6 7 6 9

10,110/0,090 (0,105/0,145 10,100/0,140 10,210/0,095 10,115/0,150 10,205^0,140 J0,100/0,125 10,245/0,095 10,275/0,145

10,120/0,113 ЮДЗЗ/0,070 ЮЛ 55/0,118 10,138/0,130 10,125/0,150 (0,250/0,120 10,125/6,135 |0,213/0,156 |0,138/0,166 10,250/0,113 (0,250/0,170

0,122/0,117 0,133/0,039 0,156/0,106 0,167/0.108 0,143/0,153 0,135/0,150 0,260/0,120 0,150/0,1(50 0,208/0,165 0,135/0,130 0,257/0,147

-ь-

|С,123/0,109| 10,193/0,0781 |0,185/0,123| |0,141/0,150| |0,18б/0,148| 10,268/0,144) 10,138/0,150( |0,263/0,163| |0,1ЬО/0,1ЕЗ| |0,276/0,148| (0,323/0,1731

В результате исследований была подучена эмпирическая зависимость, позволяющая рассчитать коэффициент трения в зависимости от величины номинального контактного давления Ра для поверхностей, обработанных различными технологическими методами:

Гтр « с Ра

/9/

где: Ра - номинальной контактное давление, КРа; с, к - коэффициенты, характеризующие влияние условий нагруяйния. > Этз зависимость может быть использована для выбора оптимального метода обработки поверхностей для заданных условий эксплуатации.

Проведен анализ влияния параметров поверхностного слоя на основные эксплуатационные свойства деталей гидроагрегатов: износостойкость, коррозионную стойкость, коэффициент трения, величину утечки и т.д. Выявлено, что осноаное влияние на эти характеристики оказьта»г параметры шероховатости поверхностного слоя ( Ra, S ,Vfc), степень наклёпа К и величина остаточных напряжений ост.
Разработан метод векторного анализа, позволяющий с/по-шщыо ЗШ на стадии проектирования деталей гидроагрегатов Назначать параметри - поверхностного слоя по заданным эксплуатационным свояствац деталей.
Проведён анализ отделочно-упрочняюдах методов обработки, на основании которого раяр-чЯотгшк классификаторы атих ио~ тодов для их использования при проектировании технологических процессов о применением САПР ТП.
Разработаны математическая модель и информационно-погскоакэ системы режимов обработки, оборудования, оснастки я инструмента для / осуществления проектіфованш технологического процесса алмазного выглаживания в автоматическом рзкимэ. .
Предложен метод отмплекспого контроля параметров поверхностного слоя и прибор для зге осуществления, П03ВО.ЕЯШІИЄ не.только оцепить гачество изготовления деталей, но и прогнозировать, о достаточной точностью, изпосостопісссїь деталей гидроаппаратуры. При этом .трудоемкость контроля существенно нияа, чем у применяемых в настоящее время традиционных методов.

3. Создана методгаса оценки основных характеристик фрикционного взаимодействия, позволяющая оценить несуиую способность поверхностей с R.T и прогнозировать ей работоспособность.