автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование процесса формирования магнитно-абразивного порошкового инструмента для обработки деталей сложной формы

Р Г Б ОД

Національний технічний університет України

А / -;м •-

*• '■ І. ■ • “Київський політехнічний інститут”

На правах рукопису

СТЕПАНОВ Олег Васильович

УДК 621.921:621.762

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ФОРМУВАННЯ МАГНІТНО-АБРАЗИВНОГО ПОРОШКОВОГО ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ОБРОБКИ ДЕТАЛЕЙ СКЛАДНОЇ ГЕОМЕТРИЧНОЇ ФОРМИ

Спеціальність 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні

матеріали

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ -1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі високотемпературних матеріалів та порошкової металургії Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Шлюко Володимир Якович

Науковий консультант:

кандидат технічних наук, старшин науковий співробітник

Майборода Віктор Станіславович

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Олікер Валерій Юхимович

доктор фізико-математичних наук, професор Куницький Юрій Анатолійович

Провідна організація: АНТК ім. О.К.Антонова. м.Київ

Захист відбудеться червня 1997 р. о ІО.ОО год на засіданні спеціалізованної ради К 01.02.12 з присудження вчених ступенів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою:

252056, Київ-56, проспект Перемоги, 37, НТУУ “КПІ”, кори. № 9, ауд. № 203 Відгуки на автореферат у двох примірниках, завіренних гербовою печаткою установи, просимо надсилати за вказаною адресою.

З дисертаційною роботою можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ “КПІ”

Автореферат розіслано 23травня 1997 р.

Вчений секретар

спеціалізованної ради К 01.02.12 ( '

кандидат технічних наук, доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми.

Сучасний розвиток машинобудування передбачає використання деталей високої точності, з низькою шорсткістю поверхні, особливими характеристиками міцності, корозійної та зносостійкості. При цьому великого значення набувають технології фінішної обробки, які забезпечують формування комплексу фізико-механічних властивостей з високою гочнісгтю та мінімальними припусками. Саме до таких відноситься технологія магнітно-абразивної обробки (МАО). Переваги МАО обумовлені використанням спеціального магнітно-абразивного порошкового інструменту (МАЛІ), зв'язкою якого виступає магнітне поле. Рухомо-

скоординований стан, в якому знаходиться магнітно-абразивний порошок, а також відсутність твердої зв’язки дозволяє проводити обробку деталей як простої так і складної форми, виготовлених з різних, в тому числі і важкооброблюваних, матеріалів з досягненням високих класів шорсткості поверхні та створенням специфічних властивостей поверхневого шару.

Ефективність МАО визначається рядом факторів серед яких тип магнітно-абразивного порошку, схема обробки, реологічні властивості магнітно-

абразивного порошкового інструменту. З іншого боку, вибір магнітно-

абразивного порошку ускладнений через суперечливість данних про їх

властивості. Недостатньо вивчено процес формування МАЛІ, особливо для випадків обробки деталей складної форми в магнітних щілинах великої ширини. Порівняно мало приділялось уваги дослідженню динамічних факторів МАО, а саме визначенню сил магнітного та динамічного походження, впливу балансу сил на стійкість МАЛІ. Мало вивченим залишається вплив МАО на поверхню оброблюваної деталі, як на мікро- так і на макрорівні. Тому актуальним завданням є вивчення процесів формування магнітно-абразивного інструменту, та способів управління його властивостями з метою проведення якісної та продуктивної обробки деталей складної геометричної форми, одержання наперед заданих фізико-механічних властивостей поверхні.

Мета роботи

Мета роботи: дослідження та розробка технологічних принципів формування магнітно-абразивного порошкового інструменту (МАЛІ) для обробки деталей складної геометричної форми з врахуванням взаємодії магнітних, реологічних та динамічних факторів.

Для реалізації мети в роботі вирішено такі завдання:

1. Розроблено методику та досліджено експлуатаційні та фізико-механічні характеристики порошкових магнітно-абразивних матеріалів в умовах обробки реальних деталей складної геометричної форми.

2. Визначено основні параметри силової взаємодії МАЛІ з деталлю, що обробляється в умовах великих робочих щілин та їх зв'язок з фізичними властивостями порошку.

3. Досліджено процес формування магнітно-абразивного порошкового інструменту для обробки деталей складної геометричної форми, визначено технологічні параметри, такі, що забезпечують умови формування оптимального МАЛІ.

4. Досліджено процес магнітно-абразивної обробки порошковим інструментом з метою одержання наперед заданих властивостей поверхні, характеристик міцності, а також виконання вимог розмірної обробки кромок лопаток газотурбінних двигунів (ГТД).

5. Розроблено методику та проведено комплексну оптимізацію технологічного процесу МАО лопаток на основі багатокритеріальної оптимізаційної моделі.

6. Розроблено методику розрахунку параметрів основних вузлів пристрою для МАО лопаток ГТД, яка забезпечує формування та ефективне використання МАЛІ з визначеннями властивостями.

На захист виносяться наступні положення:

1. Методика та результати дослідження експлуатаційних характеристик магнітно-абразивних порошків при обробці деталей складної геометричної форми.

2. Результати дослідження параметрів силової взаємодії магнітно-абразивного порошкового інструменту з деталлю в реальних умовах великих робочих щілин та їх зв'язок з фізичними властивостями порошків.

3. Результати дослідження технологічних параметрів, що визначають умови формування оптимального магнітно-абразивного порошкового інструменту при обробці лопаток ГТД.

4. Методика та результати комплексної оптимізації процесу магнітно-абразивної обробки лопаток на основі багатокритеріальної оптимізаційної моделі.

5. Результати дослідження умов розмірної обробки для закруглення кромок лопаток ГТД.

6. Методику розрахунку параметрів основних вузлів пристрою для магнітно-абразивної обробки лопаток ГТД на основі розробленої математичної моделі кінематики руху деталі в порошковому середовищі.

Наукова новизна.

В результаті виконання роботи вперше:

1. Розроблено фізичну модель процесу формування магнітно-абразивного порошкового інструменту для обробки деталей складної геометричної форми у великих робочих щілинах, яка базується на континуальній уяві елементарного об’єму порошку в магнітному полі.

2. Визначено силові та триботехнічні характеристики МАПІ; їх зв'язок з фізичними властивостями порошку.

3. Досліджено реологію процесу обробки магнітно-абразивним порошковим інструментом поверхні реальних деталей аеродинамічної форми та визначено основні параметри, що забезпечують управління цим процесом.

4. Проведено наукове обгрунтування процесу магнітно-абразивної обробки лопаток ГТД та розроблено багатокритеріальну модель для його оптимізації.

5. Розроблено методику розрахунку параметрів основних вузлів пристрою для МАО лопаток ГТД на основі математичної моделі кінематики руху деталі у порошковому середовищі.

Практичне значення роботи Розроблено та впроваджено:

1. Основні принципи створення оптимального магнітно-абразивного порошкового інструменту для обробки лопаток ГТД та інших деталей складної геометричної форми.

2. Технологію магнітно-абразивної обробки лопаток ГТД, використання якої дозволяє:

- формувати кромки лопаток правильної форми, знижувати шорсткість їх поверхні до І1а<0.16 мкм, керовано створювати у поверхневому шарі стискаючі залишкові напруги до 1500 МПа, що в свою чергу значно підвищує ресурс лопаток;

- скоротити кількість технологічних операцій та обладнання, виключити використання ручної праці та провести повну автоматизацію фінішних операцій, що призводить до суттєвого скорочення браку і повного

З

виключення деяких його видів, а також зниження собівартості готових

виробів.

3. Методику розрахунку параметрів основних вузлів пристрою для магнітно-абразивної обробки лопаток ГТД.

Використання технології магнітно-абразивної обробки лопаток ГТД на Вінтайському машинобудівному заводі (Самарське НВО моторобудування ім.Фрунзе) дозволило підвищити продуктивність фінішних операцій в 1.5-3 рази і знизити трудомісткість на 60-80 нормогодин на мотокомллекті. Технологію та пристрій для її реалізації впроваджено в Куйбишевському конструкторському бюро машинобудування (м.Самара) з економічним ефектом 50 тис. крб. (в цінах 1991 р.) та на Конотопському ДП “Авіакон” з економічним ефектом 1025 гривень при ремонті одного мотокомплекту.

Апробація роботи

Основні матеріали дисертації доповідались та обговорювались на Уральській регіональній конференції "Використання порошкових, композиційних матеріалів та покрить у машинобудуванні" (м.Перм, 1987 р.); на семінарі "Прогресивні технологічні процеси та підвищення ефективності механічної обробки" (м.Київ 1990 р.); на підсумковому семінарі напрямку робіт ДКНТ України “Підвищення надійності, ресурсу та виключення катастрофічних руйнувань транспортних газотурбінних двигунів” (ІПМіцн НАНУ, 1993 р.) та на міжнародній науково-технічній конференції "Прогресивна техніка та технології машинобудування" (м.Севастополь, 1995).

Публіканії.

За матеріалами дисертації опубліковано 27 робіт, в тому числі 3 охоронних документи на винахід.

Особистий внесок автора.

Атором особисто запропоновано методику та проведено дослідження експлуатаційних властивостей магнітно-абразивних порошків. Запропоновано методику розрахунку основних вузлів пристрою для МАО лопаток, виконано розрахунки для заданих типорозмірів. Розроблено методику комплексної оптимізації МАО лопаток на основі запропонованої інтегральної цільової функції. Запропоновано фізичну модель, що пов’язує форму часток порошку з характеристиками тертя МАЛІ. Дослідження магнітних та силових характеристик

МАЛІ та умов обтікання інструментом реальних деталей виконано разом з к.т.н. Майбородою B.C.

Структура та об’єм роботи

Дисертація викладена на 145 сторінках машинописного тексту і складається з вступу, п'яти глав, висновків та додатку. Включає 11 таблиць, 47 рисунків, список літератури з 127 назв.

Зміст роботи

У вступі дається загальна характеристика напрямку' досліджень, обгрунтовано актуальність теми, зв’зок мети роботи з завданнями, шо поставленні промисловістю. Наведено дані про техніко-економічну ефективність результатів роботи.

В першій главі розглянуто сучасний стан проблеми використання магнітно-абразивної обробки, переваги та недоліки технології МАО. Проведено аналіз відомих способів, і схем МАО та пристроїв, шо їх реалізують. Показано, що існуючі способи можна розділити за формою поверхонь, що оброблюються, функціональним використанням енергії магнітного доля, а також за розміром робочої полини.

Розглянуто існуючі магнітно-абразивні порошкові матеріали, та залежність їх властивостей від складу та способу отримання, а також відомі підходи до визначення експлуатаційних властивостей магнітно-абразивних порошків. Відомі порошки дозволяють проводити якісну магнітно-абразивну обробку, однак вибір порошку для конкретної деталі та схеми обробки ускладнений через суперечливість даних про їх властивості, наведенних різними авторами. Порівняно кращі характеристики мають порошки, що містять в якості абразивної складової карбід титану ТіС. Розробка нових магнітно-абразивних матеріалів доцільна у випадку одержання достатньої інформації гро механізм обробки в конкретній схемі та при необхідності керованої зміни окремих властивостей порошку.

Процес формування МАЛІ добре вивчено для схем обробки в малій робочій щілині, де магнітне поле грає роль і еластичної зв’язки і навантажуючої системи. Для схем з великою робочою щілиною процесс формування МАЛІ вивчено недостатньо.

Проаналізовано інформацію про вплив МАО на властивості поверхні, що оброблюється, а саме можливість розмірної обробки деталей, створення в поверхневому шарі деталей залишкових стискаючих напружень. Механізм впливу

частинки магнітно-абразивного порошку на поверхню розглядається як сумма мікрорізання та пластичної деформації нерівностей. Наявна інформація недостатня для прогнозування рівня залишкових напружень за відомими параметрами обробки. Проаналізовано взаємодію параметрів магнітно-абразивної обробки, виділено дослідженні та малодослідженні зв'язки.

На основі аналізу технічної та патентної літератури сформульовано мету роботи і основні завдання дослідження.

В другій главі наведено результати дослідження фізичних та спеціальних властивостей магнітно-абразивних матеріалів, які вибрано для проведення подальших досліджень, а саме порошків ПОЛИМАМ-Т, (система Fe-Ti-C) ПОЛИМАМ-М (Fe-Si-C) та ЦАРАМАМ (Fe-Si-C-Al) виробництва ОКТБ ІПМ НАН України, ЖІ5КТ- Донецького заводу хімічних реактивів, ФЕРРОМАП (Fe-Ti-C) та ПФО Р6М5- Білоруської політехнічної академії.

Фазовий склад визначали за результатами ренгено-фазового аналізу на дифрактометрі ДРОН ЗМ з випромінюванням Co. Форму часток порошку вивчали з використанням електронного мікроскопа TESLA та годинникового проектора ЧП-2. Мікроструктуру порошків вивчали на шліфах з допомогою мікроскопів ММР 3 та NEOPHOT-21 при збільшеннях х 100, х500 і х 1000. Мікротвердість структурних складових визначали на мікротвердомірі ПМТ-3 за стандартною методикою. Пікнометричну (yniK.) та насипну (уНас-) густину порошків визначали за стандартними методиками, прийнятими в порошковій металургії. Відносну густину обчислювали по формулі: © = Унас/Ушк- Результати досліджень фізичних характеристик порошків наведено в таблиці 1.

Таблиця 1.

Фізичні характеристики магнітно-абразивних порошків

Тип порошку Агрегатна мікротвердість, ГПа Мікротвердість включень, ГПа Пікномстрична густина, г/см3 Насипна густина, г/см3 Відносна густина

ПОЛИМАМ-Т 7,8 18,5 6,75 2,23 0,33

ФЕРРОМАП 7,4 18,9 6,47 2,33 0,36

ПОЛИМАМ-М 12,2 - 7,28 3,20 0,44

ЦАРАМАМ 9,8 - 6,78 1,90 0,28

Ж15КТ 2,25 - 6,92 2,01 0,29

ПФО Р6М5 1,5 - 6,96 1,38 0,20

Для визначення стійкості магнітно-абразивного порошку при обробці деталей складної форми використовували розроблену нами методику, яка включає вимірювання шорсткості поверхні та питомого массового зйому з лопаток за

хвилину обробки при вихідній шорсткості ^=(>.7-1.2 мкм, а також визначення гранулометричного складу порції порошку через кожні 10 хвилин обробки. Для обробки використовували порошки з вихідним розміром часток 630/100 мкм. Найкращі характеристики мають порошки ПОЛИМАМ-Т та ФЕРРОМАП, одержані розпиленням з розплаву, які мають в своєму скаді карбід титану ТіС (рисунок 1).

Рисунок 1. Експлуатаційні властивості магнітно-абразивних порошків:

1 - питомий масеовий зйом за хвилину обробки, мг/см2; 2 - шорсткість поверхні за хвилину обробки, І^мкм; 3 -відрізок часу на якому зберегіються початкові значення параметрів 1 та 2, хв.

Третя глава, присв'ячена дослідженню умов формування та властивостей магнітно-абразивного порошкового інструменту.

Формування МАЛІ відбувається під впливом комплексу сил, серед яких найбільше значення мають сили магнітного походження. Сила, що діє на феромагнітну частинку в магнітному полі може бути записана як:

гп • В

Р =

В

•Ягагі|В|

(1)

де т • В- скалярний добуток від множення вектора магнітного моменту частинки та вектора магнітної індукції; |В| - модуль вектора магнітної індукції. В свою чергу т для сферичної частинки, відповідно до робіт В.Ю.Олікера може бути визначений з формули:

4-л-Ъъ (?>'№е '{/Н Ме) , -14

т = В --------------------------------+ (,ие -1)

V 2-Ме + Я .

де Ь - радіус частинки; мо-абсолютна магнітна проникність вакууму, ці-магнітна проникність матеріалу частинки; Це - магнітна проникність середовища, що заповнює щілину, а В, згідно прийнятих позначень:

П = {%е+Мо)-Н = Мо-Мг’Н (3)

де Н - напруженість магнітного поля; ул - магнітна сприйнятливість середовища.

Таким чином, одним з найважливіших параметрів, що визначають характер формування МАЛІ є його магнітна проникність. Величину Це визначали, керуючись формулою (3), як відношення магнітної індукції в порожній щілині Во=цо • Н до магнітної індукції в щілині, заповненій порошком В. Значення В та Во вимірювали за допомогою датчика Холла мілітесламетром. Одержані результати показали що магнітна індукція насичення для МАЛІ падає в ряду порошків ПОЛИМАМ-М - ПОЛИМАМ-Т - ФЕРРОМАП - ЦАРАМАМ - Ж15КТ

- ПФО Р6М5 з 0.7 Тл до 0.5 Тл, а значення відносної магнітної проникності з 1.63 до 1.28, що показує задовільну кореляцію з відносною густиною відьно-насипанного порошку, враховуючи невелику різницю в складі матеріалу.

Оцінку механічних напружень виконували по розробленній методиці, яка полягає у вимірюванні питомого електроопору порції магнітно-абразивного порошку в магнітному полі та під впливом механічного тиску, одержання їх формальних виразів та наступного перерахунку. Залежності механічних напружень, що виникають в МАЛІ, з порошку ПОЛИМАМ-Т, в напрямку паралельно лініям магнітного поля від магнітної індукції, представлені на рисунку 2. Напруження, що виникають в напрямку, перпендикулярному лініям магнітного поля в 2-5 разів нижчі. Це свідчить про анізотропію властивостей МАЛІ. Залежність напружень, що виникають у МАЛІ з інших магнітно-абразивних порошків має той же характер, однак абсолютні значення при магнітній індукції 0.7 Тл складають для ЦАРАМАМ 15-60 кПа, ПФО Р6М5 12-45 кПа, ПОЛИМАМ-М 30-60 кПа в залежності від фракції порошку в діапазоні від 100 до 630 мкм. Величина механічних напружень в МАПІ тісно пов'язана з відносної густиною вільно насипаяного порошку та відносною магнітною проникністю МАПІ, але пряма кореляція відсутня, поскільки великого значення набуває вплив форми частинок порошку.

Зсувні напруження в МАПІ вимірювати на спеціально розробленому пристрої, котрий дозволяє з заданною швидкістю переміщувати пластину -модель оброблюваної деталі або окремих шарів МАПІ через робочу щілину, заповнену порошком та контролювати силу опору такому переміщенню. Встановлено, що збільшення магнітної індукції магнітного поля призводить до

практично лінійного збільшення зсувних напружень в МАЛІ, причому спостерігається наявність зсувних напружень спокою, які на 10-15% перевищують зсувні напруження руху. Перерахунок зсувних напружень від нормальних напружень в МАЛІ дозволив визначити приведенні коефіцієнти тертя МАЛІ,

значення яких наведено в таблиці 2.

Магнітна Індукція, Тл

Таблиця 2.

Рисунок 2. Залежність величини механічних напружень, що виникають в МАЛІ з поршку ПОЛИМАМ-Т паралельно

лініям магнітного поля від

магнітної індукції а щілині;

розмір частинок порошку:

200/100мкм - 1, 315/200 - 2, 400/315 - 3, 630/400 - 4.

Приведеш коефіцієнта тертя МАЛІ різного складу з деталлю з матеріалу ВТЗ-1 та між шарами МАЛІ

Тип порошку Розмір часток Коефіцієнт тертя

мкм в парі МАЛІ-деталь в парі МАПІ-МАПІ

630/400 0.14 0.34

ПОЛИМАМ-Т 400/315 0.15 0.35

315/200 0.24 0.49

200/100 0.31 0.62

630/400 0.30 0.48

ЦАРАМАМ 400/315 0.34 0.65

315/200 0.56 1.00

200/100 1.04 1.83

ПОЛИМАМ-М 630/400 0.46 1.29

400/315 0.45 1.39

Дослідження дозволили запропонувати модель трьох можливих механізмів взаємодії МАЛІ з контртілом в залежності від форми часток, що формують інструмент (рисунок 3.)

Частинки рівноосних порошків оскольчатої форми (рисунок 3. а) (Полимам-Т, Ферромап, Ж15КГ) зформованих в МАЛІ, контактують одна з одною та з поверхнею деталі ділянками малої площі (умовно - вершинами). При відносній переміщеннях, такі частинки можуть провертатися, в залежності від співвідношення сил в точках контакту.

Частинки порошків з значною нерівнооснісгю (рисунок 3. б) (Царамам) при формуванні МАЛІ витягуються вздовж силових ліній магнітного поля найдовшою віссю, тим самим, формуючи точки контакту малої площі з контртілом і значно більшої площі між частинками порошку. При відносних переміщеннях вони можуть усім ансамблем провертатися на значний кут, нормальні ж напруження, що притискають їх до контртіла частково витрачаються на переборювання сил тертя з сусідніми частинками.

V

. а б в

Рисунок 3, Модель взаємодії МАЛІ, зформованного з порошків з різною формою частинок з контртілом

Сферичні частинки (рисунок 3. в) (Полимам-М) при формуванні МАЛІ, знаходяться в стані з порівняно великою площею контакту як з контртілом, так і між частинками. Провертання таких частинок енергетично не вигідне, оскільки не знижує сил опору переміщенню. А значить їх поведінка в контакті найбільш близька до чистого тертя ковзання. Саме це призводить до порівняно низьких значень механічних напружень в МАЛІ, не дивлячись на досить високі значення відносної магнітної проникності та відносної густини вільно насипаного порошку.

Досліджували вплив геометрії оброблюваної деталі на процес формування МАЛІ, для чого аналізували зону активної обробки лопаток ГТД в залежності від параметрів технологічного процесу. Дослідження підтвердили гідродинамічний характер МАЛІ, а саме можливість плавно обтікати складний профіль лопатки ГТД, відновлювати свою форму та властивості. Показано, що залежність сумарної площі активної обробки від швидкості має екстремальний вигляд з максимумом, що підтверджує гіпотезу про наявність порогових значень швидкості обробки. Характерною є обробка частково закритих поверхонь - тих, що розташовані під від'ємним кутом до напрямку руху деталі. Гранична величина такого кута складає 10-12°, що відповідає величині кута тертя дай порошку ПОЛИМАМ-Т, який використовувався в дослідженнях.

В четвертій главі наведено опис конструкції установки для магнітно-абразивної обробки лопаток, яка має вигляд спеціального пристрою, що монтується на стандартному вертикально-фрезерувальному верстаті і дозволяє

переміщувати комплект лопаток по колу, плавно вводити їх вертикально в зону обробки, відслідковуючи кут повороту конкретного перетину пера лопатки, та коливати лопатки навколо їх вертикальної осі з заданното амплітудою та частотою.

Розроблено методику розрахунку геометрії основних конструкційних параметрів пристрою. Методика базується на тому, що при обертанні по колу, лопатки, довжина хорди якої більше нуля, відбувається зміна її кінсматігчного профілю, а саме випрямлення. При цьому, якщо радіус робочої зони близький до радіусу лопатки, то в результаті випрямлення виходить прямий, краплеподібний кінематичний профіль. При радіусі робочої зони, набагато більшому, ніж радіус лопатки випрямлення профілю практично відсутнє. Показано, що для більшості лопаток компресорів ГТД теоретично відсутнє обмеження згори на радіус робочої зони верстата.

П’ята глава присвячена дослідженню впливу магнітно-абразивної обробки на поверхню деталі. Наведено результати дослідження можливості використання МАО як розмірної обробки - а саме для закруглення кромок лопаток ГТД. Показано, що МАО призводить до одержання кромок правильної геометричної форми. При цьому необхідно використовувати МАПІ, зформований з частинок, розміри яких близькі до розмірів оброблюваних кромок, що пов’язано з процесом утворення та розпаду віялоподібних ущільнених утворень в МАПІ та з пороговими значеннями швидкості обробки, описанними раніше B.C. Майбородою. Для рівномірного та продуктивного закруглення кромок лопаток необхідним є наявність коливань лопатки в процесі обробки навколо своєї вертикальної осі з амплютудою 10-12“, та частотою 1.5-3 коливання за один оберт. Це сприяє активізації процесів утворення та розпаду віялоподібних утворень та підтриманню в часі властивостей МАПІ.

Досліджено залишкові напруження в поверхневому шарі лопаток ГТД, що створюються в результаті МАО. Показано, що обробка лопаток компресорів, виготовлених з сплаву ЗП-718ВД дозволяє контрольовано створювати стискаючі залишкові напруги величиною до 800 МПа та глибиною залягання більше 150мкм. Результати підтверджують припущення про можливість використання магнітно-абразивної обробки як фінішної, поліруючо-зміцнюючої, що може замінити операції зміцнення обдувкою мікрокульками та віброполірування.

Оптимізацію процесу МАО лопаток ГТД з метою одночасного зниження шорсткості поверхні до Ra<0.32 ми і, формування кромок з заданним радіусом заокруглення, створення в поверхневому шарі залишкових стискаючих напруг

заданної величини та глибини залягання здійснювали на основі регресійних моделей параметрів, які контролюються. Приклад таких моделей для випадку обробки порошком ПОЛИМАМ-Т з розмірами частинок 400/315мкм та 315/200мкм, при швидкості обробки в діапазоні 250-450 об/хв (3-5,4м/с), магнітній індукції 0,12-0,6 Тл та часі обробки 150-300 с наведено нижче от и = 474 - 2.29К - 460В +1.31т + 0.2Х + 0.0023К2 + 0.48ИВ - 0.0024т2 + 0.0023т Вцт, = 66 -0.72У- 131.5В- 0.18г - 0.29Я - 0.0008К2 -284В2 - 1.37РВ + 0.0013И8Х = 1122 - 4.56V - 223В + 0.85т + 0321 + 0.0047Г2 - 510В2 - 0.015Рх + 0.0047КВЯ.

/¡ет =-5491 +20К+5829В +0.07т+ 0.1\-0.08К2 - 1024В2 -11.2Ш - 0.0008т Ьцит =-19378 + 72К + 16171В-0.32т + 2.38Х-0.07К2 -1272В2 -28.6КВ-0.02ИВЯ

квш = -21631-74К + 545В-32.3т-0.3Л-0.061Г2 - 1226В2 +0.07т2 -О.ООЗКВА, де: авх , <ТцНт , сгцих - залишкові напруги в поверхневому шарі пера лопаток біля вхідної кромки, в центрі пера та біля вихідної кромки відповідно, кгс/мм2 (•9.81МПа); кех , кЦИт , квюі - глибина залягання залишкових напруг у тих же зонах, мкм; V - швидкість руху оброблюваних лопаток, об/хв (-0.012 м/с); В-магнітна індукція в робочій щілині, Тл; г - час обробки, с; X - середній розмір частинок магнітно-абразивного порошку, мкм Інтегральна цільова функція мала вигляд:

^,В,тД) = Ід/ДГ,В,тД)-^ (4)

і=і

тіпС/Д^ВлД)-//)

Д/;(К, В,тД)=^----г—1------- (5)

п ~)і

К,=

о,// </, </ї

1,Л//<0.1 (6)

10, А/, >0.1

де Р(У,И,т,А) - значення інтегральної цільової функції; / значення функції /-го параметра; /1 та/^-нижяя та верхня межа /-го параметра; А--коефіцієнт штрафу. Приклади топограм одержаної цільової функції показані на рисунку 4. Таким чином одержано значення технологічних параметрів магнітно-абразивної обробки лопаток, що дозволяють проводити якісну та продуктивну

Магнітна індукція, Тл

обробку, яка включає зниження шорсткості поверхні до Яа<0.32, формування кромок заданного радіуса та створення в поверхневому шарі залишкових напруг заданої величини та глибини залягання.

0.6~

Швидкість обробки, сб.'хв.

7“

200 250 З00 350

Час обробки, е

Рисунок 4. Топограми поверхні інтегральної цільової функції для умов обробки: розмір часток порошка 400/315, а.- час обробки 200 с. б.- швидкість обробки 3.8 м/с.

Загальні висновки

1. Розроблено наукові принципи формування оптимального магнітно-абразивного порошкового інструменту для обробки деталей складної геометричної форми. Показано, що визначальними факторами є структура, фізичні та експлуатаційні властивості порошків, магнітні, силові та реологічні властивості МАПІ.

2. Розроблено методику та проведено дослідження експлуатаційних властивостей магнітно-абразивних матеріалів для обробки деталей складної геометричної форми в умовах великої робочої щілини. Показано, що порівняно кращі характеристики для таких умов роботи мають матеріали, одержані розпиленням з розплаву, що містять в якості абразиву карбід титану (ПОЛИМАМ-Т, ФЕРРОМАП).

3. Досліджено процес формування магнітно-абразивного порошкового інструменту для обробки деталей складної геометричної форми, механічні напруги магнітного походження у ньому. Показано, що механічні напруги в МАПІ в напрямку, паралельно силовим лініям магнітного поля пов’язані з

магнітними характеристиками матеріалу, структурою та формою часток і знижуються в ряду матеріалів: ПОЛИМАМ-Т-» ПОЛИМАМ-М->

ЦАРАМАМ-> ПФО Р6М5. Визначено приведені коефіцієнти тертя в парах МАПІ-деталь та МАПІ-МАПІ, запропоновано фізичну модель, що враховує вплив форми часток на процес тертя.

4. Досліджено реологію взаємодії МАПІ з деталлю аеродинамічної форми. Показано, що динаміка процесу дозволяє проводити якісну обробку частково закритих поверхонь за рахунок впливу нормальних та зсувних напружень у МАПІ.

5. Доведено можливість використання МАО як розмірної обробки для закруглення кромок лопаток ГТД. Показано, шо для якісного закруглення кромок лопаток необхідні умови інтенсивного створення та руйнування згущень порошку перед лопаткою, яка рухається, що в свою чергу може бути забезпечене балансом магнітних, реологічних, динамічних та геометричних параметрів.

6. Запропоновано методику та проведено комплексну оптимізацію процесу МАО лопаток на основі багатокритеріальної оптимізаційної моделі з метою суміщення закруглення кромок, зниження шорсткості поверхні та створення в поверхневому шарі залишкових напруг заданої величини та глибини залягання. Показано, що оптимальними режимами для обробки заданного типорозміру лопаток є: швидкість обробки 3,7-4 м/с; магнітна індукція 0.22-0.28 Тл; час обробки 170-220 с; розмір часток порошку 400/315 мкм.

7. Розроблено методику розрахунку параметрів основних вузлів пристрою для

магнітно-абразивної обробки лопаток на основі математичної моделі

кінематики руху деталі в порошковому середовищі.

. Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1.Закономерности формирования ферроабразивного порошка в магнитноабразивный инструмент в условиях кольцевого расположения магнитных зазоров/

В.С.Майборода, О.В.Степанов, В.Я.Шлюко и др.// Порошковая металлургия. 1989.-№5, С. 7.2-77.

2.Исследование электрического сопротивления порошкового магнитноабразивного инструмента/ В.С.Майборода, В.Я.Шлюко, Н.Л.Тараненко,

О.В.Степанов// Порошковая металлургия,- 1992.- №4, С. 83-87.

З.Определение тангенциальных напряжений при магнитно-абразивной обработке/ В.Я.Шлюко, НЛ.Тараненко, О.В.Степанов// Порошковая

металлургия.- 1992,- N“12, С. 43-46.

4.Реологические характеристики магнитно-абразивных порошков в магнитном поле/ В.С.Майборода, О.В.Степанов, Н.Л.Тараненко, В.Я.Верменко //Порошковая металлургия - 1994,- N»1/2, с. 62-66

5.Шлюко В.Я., Майборода B.C., Степанов О.В. Влияние магнитного поля на магнитные характеристики магнитно-абразиного порошкового инструмента //Сборник научных и методических трудов КПИ к 50-летию ИФФ (часть 2). Киев: Знания.-1994.- С. 88-94.

6.Майборода B.C., Степанов О.В. Формирование порошкового магнитноабразивного инструмента при обработке лопаток газотурбинных двигателей // Порошковая металлургия.- 1996.- №1/2, с. 92-98

7.Расчет концентраторов магнитного поля для магнитно-абразивной полировки лопаток / В.С.Майборода, В.Я.Шлюко, Н.А.Лапин, О.В.Степанов// Авиационная промышленность - 1986 - № 12, с. 10-11

8. Степанов О.В., Майборода B.C., Шлюко В.Я. Магнитно-абразивная обработка кромок лопаток ГТД // Авиационная промышленность.-1990.-№5,-С.15-17.

9.Применение магнитно-абразивного метода для обработки лопаток /Л.М.Вязовская, В.С.Майборода, О.В.Степанов и др.//Авиационная промышленность.- 1990.- №9,- С.20-22.

Ю.Методика расчета конструктивных параметров станка для магнитноабразивной обработки лопаток ГТД/ О.В.Степанов, В.С.Майборода, В.Я.Шлюко,

А.В.Андронов//Авиационная промышленность.- 1992.-№4, С.17-19.

И.Степанов О.В., Майборода B.C. Влияние магнитно-абразивной обработки на свойства поверхности лопаток ГТД //Авиационная промышленность.-1994,- № 11/12.-С.32-34

12.Исследование условий магнитно-абразивной обработки при кольцевом расположении магнитных зазоров/ В.С.Майборода, О.В.Степанов, В.Я.Шлюко и др.// Технология и автоматизация машиностроения.- 1988.- №42, С.72-77.

13.Анализ динамических характеристик ферроабразивного инструмента при магнитно-абразивной обработке/ О.В.Степанов, В.С.Майборода, В.Я.Шлюко, Я.М.Островский //Технология и автоматизация машиностроения.- 1989.-№43, С.94-97.

14. Майборода B.C., Степанов О.В., Ратошнюк B.C. Особенности магнитноабразивной обработки деталей в кольцевой магнитной системе// Технология и организация производства.- 1990,- №2, С.32-33.

15. Изменение коррозионных и электрохимических свойств сплава ВТ-9 после магнитно-абразивной обработки /В.Я.Шлюко, Е.В.Лысенко, О.В.Степанов и др.//Вестник КПИ. Химическое машиностроение и технология.- 1990. № 27.-

С.66-69.

16.Влияние магнитно-абразивной обработки на повышение коррозионной стойкости поверхности образцов из сплава ВТ-9/ В.Я.Шлюко, Е.ВЛысенко, О.В.Степанов и др.// Вестник КПИ. Химическое машиностроение и технология.-1991.- №28, С. 83-86

17.Влияние поверхностной обработки сплава ВТ-9 на его устойчивость к коррозии в агресивних средах/Е.В.Лысенко, В.Я.Шлюко, О.В.Степанов и др.// Вестник КПИ Химическое машиностроение.- 1991.- № 53. С.38-41.

18.Вплив обробки на корозійні властивості сплаву ВТ-9/ В.Я.Шлкжо, О.ВЛисекко, О.В.Степанов та інід.//Вестник КПИ Химическое машиностроение.- 1992,- № 55. С. 22-25.

19.А.С.СССР №1555999 В 24 В, 31/112, Способ магнитно-абразивной объемной полировки /В.С.Майборода, ВЛ.Шлюко, О.В.Степанов и др.- 1988.-Не публикуется.

20А.С.СССР №1676180 В 24 В 31/112, Способ магнитно-абразивной обработки/О.В.Степанов, Б.И.Крамаровский, В.С.Майборода и др.- 1991.-Не публикуется

21 .Патент СССР № 1827094 В 24 В 31/112 Способ магнитно-абразивной обработки /В.С.Майборода, А.В.Андронов, О.В.Степанов и др.- 1992.-Не публикуется.

В обговоренні окремих результатів робота приймали участь:

В.В.Джемелінський, М.В.Ківдрачук, В.С.Кресанов, А.М.Степанчук, Б.В.Феночка.

Степанов О.В. Исследование процесса формирования магнитно-абразивного порошкового инструмента для обработки деталей сложной формы. Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.06 -"Порошковая металлургия и композиционные материалы". Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 1997. Рукопис

Защищаются результаты исследования физических и специальных эксплуатационных характеристик магнитно-абразивных порошков, силовых и триботехнических характеристик магнитно-абразивного порошкового инструмента, их влияние на результаты обработки лопаток газотурбинных двигателей, а также методики расчета основных узлов установки и комплексной оптимизации обработки с использованием многокритериальной целевой функции опубликованные в 27 работах. Показано, что применение магнитно-абразивной обработки позволяет за одну операцию снижать шероховатость поверхности, создавать в поверхностном слое остаточные сжимающие напряжения заданной величины и глубины залегания и проводить скругление кромох лопаток.

Oleh V. Stepanoff.. Investigation of the magnetic-abrasive powder tool formation for the processing complex geometric form details. The thesis for the degree of Candidate of technical sciences (Ph.Dr.) on specialty 05.16.06 - " Powder metallurgy and composition materials ". National technical university of Ukraine " Kyiv politechnic institute ", Kyiv, 1997.

Author defend the results of research of the magnetic-abrasive powders physical and special operational characteristics, magnetic-abrasive powder tool force and tribotechnical characteristics, their all influence on the results of gas-turbine engines blades processing, and also technique of calculation of the basic units of the machine and complex optimization of the processing with use of the multicriterion function which have been published in 27 work. It is shown, that application of the magnetic-abrasive processing allows to reduce surface roughness, to create the compressing residual stress of assigned value and location depth in the superficial layer and to make round the blade edges for the one operation.

Ключові слова: магнітно-абразивний порошок, магнітно-абразивний порошковий інструмент, шорсткість поверхні, залишкові напруги, оптимізація.