автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии контролягеометрии вентиляторных лопаток ГТД с учетомупругих деформаций при измерении

11 да &

Харьковский авиационный институт имени Н.Е. Жуковского

На правах рукописи УДК 621.771

Леховицер Виктор Александрович

Исследование и разработка технологии контроля геометрии вентиляторных лопаток ГГД с учетом упругих деформаций при измерении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.07.04

Технология производства летательных аппаратов.

Харьков — 1996 г.

Работа выполнена на предприятии «Мотор Слч»

Научный руководитель —

академик АИН Украины доктор технических наук Богуслаев В.А.

Научный консультант — доктор технических наук

Ободан В.Я.

Официальные оппоненты —

профессор, доктор технических наук Долматов А И. кандидат технических наук Корзинкин С.Д.

Ведущая организация — Запорожское машиностроитель-

ное конструкторское бюро «Прогресс»

Защита диссертации состоится «О/» «АисгпОП199.fi.г. в/4 часов 00 минут в ауд. 427 главного корпуса на заседании специализированного совета 02.27.06 в Харьковском авиационном институте им. Н.Е. Жуковского по адресу:

310070, г. Харьков, ул. Чкалова, 17, Харьковский авиационный институт им. Жуковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «23,> « 1996г.

Ученый секретарь '-^^Т' <) ° *——~ '

специализированного Совета профессор Г.Л. Корнилов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Повышение надежности, точности, а также снижение трудоемкости изготовления и контроля деталей и узлов ГТД являются важнейшими задачами производства авиадвигателей. В значительной мере это относится к производству лопаток, доля которых в общем количестве деталей ГТД состаатяет в среднем 50%, а трудоемкость доходит до 35% от трудоемкости двигателя.

Для решения указанных задач на моторостроительных предприятиях постоянно совершенствуется оборудование и технология изготовления и контроля, вводятся в действие металлообрабатывающие станки с ЧПУ, робототехнические системы, создаются автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП).

В состав современной АСТПП «Лопатка» входят: подсистема объемного математического моделирования поверхностей пера лопаток; подсистема автоматизированного проектирования технологической оснастки; подсистема автоматизированного оформления чертежей лопаток и оснастки; подсистема подготовки управляющих программ для изготовления лопаток и оснастки на станках с ЧПУ; база данных лопаток и оснастки; участки станков с ЧПУ, управляемых от ЭВМ, для изготовления лопаток и оснастки. Все подсистемы взаимодействуют между собой по каналам связи или при помощи машинных носителей информации.

Несмотря на достигнутые успехи технологический цикл нельзя считать полностью автоматизированным и законченным, поскольку операции контроля геометрических параметров лопаток выполняются вручную.

Сказанное особенно относится к крупногабаритным вентиляторным лопаткам, при изготовлении которых используется ручной груд на финишных операциях, определяющих точность профиля пера. Контроль профиля пера таких лопаток в цеховых условиях в настоящее время производится с использованием шаблонов или специально за-профилированных оптико-механических приборов. Это обуславливает крайнюю сложность технологической подготовки производства и контроля, поддержания точности шаблонного хозяйства, особенно при освоении новых изделий или внесении изменений в профиль пера выпускающихся лопаток.

Для исследовательских целей, арбитражных замеров, обмера шаблонов и эталонов применяются универсальные координатно-измери-тельные машины (КИМ), устанавливаемые, как правило, в специаль-

ных помещениях. Их применение не решает задачи 100% контроля геометрии вентиляторных лопаток из-за ограниченного количества машин вследствие дороговизны, сложности эксплуатации и низкой производительности, необходимости дополнительного высококвалифицированного персонала.

Поэтому исследования, направленные на совершенствование технологии контроля геометрии вентиляторных лопаток путем создания специализированных автоматических средств контроля цехового уровня, а также на совершенствование традиционных способов являются актуальными.

Актуальность темы нашла свое отражение в планах новой техники и технического перевооружения ПО «Моторостроитель» (теперь АО «Мотор Слч»), разработанных с учетом программы ГК по науке и технологии Украины «Развитие производственных мощностей по выпуску крупногабаритных двигателей» и комплексной программы МАП, ВВС, ГВФ от 02.06.88 «Создание авиационных двигателей на период до 2000 г.»

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является создание новых технологических решений контроля геометрических размеров деформируемых изделий и оборудования для их осуществления.

Достижение поставленной цели обусловило необходимость решения следующих научных и инженерных задач:

— разработать метод многоканального измерения криволинейных поверхностей пера лопатки, рассматриваемой как упругое тело, обеспечивающий автоматизацию, необходимую точность, производительность и надежность в цеховых условиях;

— разработать способ вписывания идеального профиля в реальный, обеспечивающий минимальное значение погрешностей оценки искажений и смещений реального профиля относительно заданного и параметров профиля в технологически допустимое время;

— разработать принципы создания переналаживаемой контрольно-измерительной оснастки для контроля геометрии сложных деталей;

— разработать и внедрить в производство новые средства контроля геометрии лопаток.

Методы исследований

При выполнении работы применялись аналитические и экспериментальные методы исследований, базирующиеся на теории точности машин и механизмов, теории погрешностей, методе конечных элементов, статистическом моделировании на ЭВМ.

Научная новизна

Разработана деформационная модель вентиляторной лопатки при различных условиях закрепления, находящейся под воздействием точечной силы, и способ оперативного учета соответствующих упругих деформаций в процессе контроля многоканальными датчиками касания.

Разработан способ контроля геометрических размеров деформируемых изделий, обеспечивающий большое быстродействие за счет многоканальное™ и, в то же время, малое контактное давление на контролируемую деталь и незначительную ее деформацию за счет нелинейного характера восстанавливающей силы.

Разработан оптимальный по быстродействию способ оценки соответствия геометрии сечения точностным требованиям, основанный на двухэтапной процедуре: 1) вначале быстром определении смещений и отклонений реального профиля от идеального по результатам вписывания идеального профиля в полученные координаты, основанный на критерии минимума с.к.о. и 2) затем, в случае отрицательного результата первого этапа, применении минимаксного критерия к значениям максимального отклонения профиля в тело сечения.

Разработана методика расчета точностных характеристик оборудования для реализации способа.

Разработана методика автоматизированной оценки соответствия реального профиля технологическим требованиям.

Практическая ценность работы

Развитые в работе методы автоматического высокопроизводительного контроля геометрических параметров упругих тел, в частности, лопаток для авиадвигателей, могут быть ипользованы для построения широкой гаммы специализированных координатно-измерительных машин контроля геометрии лопастей энергетических машин, вентиляторов, ветряных двигателей, судовых и авиационных винтов и других изделий сложной формы. Практическая ценность работы заключается также в том, что ее результаты могут быть использованы и в других отраслях машиностроения при создании унифицированной технологической оснастки, составной частью которой являются переналаживаемые контрольно-измерительные приспособления.

На защиту выносятся:

— способ контроля геометрических параметров деформируемых изделий типа лопаток и лопастей;

— методика расчета точностных характеристик оборудования для реализации способа;

— методика автоматизированной оценки соответствия реального профиля технологическим требованиям;

— состав, устройство и рекомендации по использованию унифицированной перестраиваемой технологической оснастки для производства и контроля сложных деталей двигателей.

Практическая реализация работы

Проведенные исследования позволили разработать технологические решения, положенные в основу создания системы контроля профиля пера вентиляторных лопаток ГТД типа ВЕНТА, а также унифицированной оснастки как для повышения точности и производительности изготовления сложных деталей двигателей, так и для контрольно-измерительных операций.

Реализация результатов исследований выполнялась путем разработки рабочей документации на систему контроля профиля пера вентиляторных лопаток к авиадвигателям Д-18Т, Д-Зб и Д-436, изготовление которой завершается в настоящее время в АО «Мотор Слч», а также путем разработки технической документации, изготовления переналаживаемых контрольно-измерительных приспособлений и технологической оснастки и отработки технологии их использования в цехах АО «Мотор Слч».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на заседаниях научно-технического совета АО «Мотор Слч», научно-технических совещаниях предприятий отрасли, на Всероссийском семинаре «Проблемы динамики и прочности электро- и энергомашин» в Институте проблем машиноведения РАН (С-Петербург, 1993), на 2-й Международной конференции «Датчики электрических и неэлектрических величин» (Барнаул, 1995), на совместных семинарах и совещаниях специалистов АО «Мотор С1ч», НПО «Метрология», НПО «Днепрчерметавтоматика» и УкрНИИТМ в 1992—1994 г.г. под руководством д.т.н. Ободана В.Я. Полностью работа доложена на семинаре кафедры технологии машиностроения ХАИ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 работ в т.ч. 10 изобретений. Список основных публикаций приведен в автореферате.

Объем и структура работы Реферируемая диссертация общим объемом 176 страниц состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 89 наименива-ний, а также 8 приложений на 38 стр.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении проанализировано современное состояние автоматизированных систем технологической подготовки производства вентиляторных лопаток и обоснована актуальность выбранного направления исследований, отмечены трудности создания средств контроля геометрии профиля пера лопаток, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе диссертации по литературным и опытным данным исследованы известные методы контроля геометрии пера лопаток и произведена их классификация: на методы сравнения с образцом, координатные и комбинированные. В свою очередь наиболее современные координатные методы разделены на методы последовательного и параллельного (одновременного) измерения; последние классифицированы по одновременности контроля одного сечения или всей поверхности лопатки и по типу датчиков съема первичной информации. Кроме упомянутых признаков координатные методы подразделяются по способу базирования лопатки (в замке, в замке и технологической бобышке, математическое базирование) и по способу компенсации деформаций лопатки под действием сил (тяжести или контактных при использовании датчиков касания).

Сравнение известных методов и используемых датчиков первичной информации о координатах поверхности пера вентиляторных лопаток позволяет сделать однозначный выбор в пользу координатного метода контроля с одновременным (параллельным) измерением одного сечения при помощи многоканальных датчиков касания (МДК).

Главными достоинствами выбранного направления построения специализированной системы являются возможность обеспечения быстродействия контроля, автоматизация ввода данных о чертежных характеристиках геометрии лопатки, полный отказ от необходимости изготовления образцовых лопаток, шаблонов, стержней и т.д., что значительно упрощает и удешевляет технологическую подготовку производства вентиляторных лопаток.

Применение контактных шуповых датчиков касания делает результат контроля независимым от состояния обрабатываемой поверхности пера, в то время как использование оптоэлектронных датчиков светового сечения невозможно вследствие зеркального характера отражения света от полированной поверхности.

Исследование характеристик вентиляторных лопаток больших ГТД с точки зрения контроля геометрии выбранным методом показало, что

наибольшее влияние на конструкцию МДК и собственно измерительной машины оказывают выступание антивибрационных полочек, податливость лопатки действию поперечных сил, ширина лопатки.

Допустимые отклонения профиля находятся в следующих пределах: плюсовые от 30 до 100 мкм, минусовые от 100 до 800 мкм в зависимости от типа лопатки и расстояния контролируемого сечения от замка. Допуск на общее смещение профиля вдоль осей X и У и смещение кромок по оси У при допустимом развороте сечения почти на порядок больше допуска на отклонение профиля, поэтому определение допустимой погрешности контроля необходимо производить, исходя из допуска на отклонение профиля.

В соответствие с принятым в технологическом контроле подходом допустимая погрешность в рабочих условиях должна находиться в пределах 1/3... 1/5 от поля допуска на размер.

Для вентиляторных лопаток установлен несимметричный допуск на отклонение профиля, причем, плюсовый допуск в 2...8 раз меньше минусового. Поэтому для большей надежности контроля в качестве расчетного поля допуска будем брать удвоенный минимальный плюсовый допуск, т.е. 2 • 30 = 60 мкм. Тогда погрешность измерения 8ИЗМ в рабочих условиях не должна превосходить ± 1/4 -60 = ±15 мкм.

По аналогии с универсальными КИМ обшая погрешность разрабатываемой специализированной цеховой системы складывается из кинематической погрешности базирования лопатки относительно МДК, погрешности собственно МДК и средств съема информации о его положении, погрешности вследствие упругой деформации лопатки, погрешности вписывания и вычислений (всего п = 5 наименованиям). В соответствии с принципом оптимального конструирования измерительных приборов составляющие суммарной погрешности 5ЮМ должны быть по возможности равными. При статистической независимости составляющих, а в нашем случае это имеет место, допустимое значение каждой из них не должно ориентировочно превосходить ± 6ИЗМ/\Т= ±6,7 мкм.

Быстродействие измерения, считая от момента установки лопатки, принято порядка 20 с при контроле одного сечения и 10 мин при контроле всей лопатки, что в несколько раз меньше времени при ручном контроле шаблонами.

Исходя из вышеизложенных требований к диапазону точности и скорости контроля сделан вывод о том, что создание специализированной системы контроля геометрии вентиляторных лопаток является достаточно сложной, но реальной задачей, для решения которой необ-

ходимо применение встроенных средств вычислительной техники. В завершение раздела сформулированы основные принципы построения такого класса систем, конструктивные и метрологические требования к ним.

Во второй главе разработан метод и средства съема первичной информации о координатах поверхности пера вентиляторной лопатки.

Для выбора основной схемы измерения, позволяющей реализовать многоканальный контактный метод измерения со съемом информации по отдельным сечениям, были рассмотрены четыре варианта компоновки измерительной машины (ИМ): горизонтальная и вертикальная компоновка с одним МДК; то же с двумя МДК. Первые две компоновки относятся к системам с тремя степенями свободы: 1) поворот лопатки, 2) перемещение МДК. вдоль оси Ъ лопатки, 3) перемещение одного МДК к лопатке поочередно к спинке и корыту после поворота лопатки на 180°. Во вторых двух компоновках четвертая степень свободы — это перемещения второго МДК вдоль оси У (перемещение его по оси Z выполняется одновременно с первым МДК).

В связи с тем, что в 3-х координатной машине на результат измерения существенно влияет биение поворотного стола и зажимного приспособления, выбор был сделан в пользу ИМ с 4 степенями свободы и вертикальным расположением лопатки, что предотвращает изгиб лопатки без технологической бобышки под действием силы тяжести.

Исследование точности выбранной схемы измерения методом анализа составляющих суммарной кинематической погрешности показало, что она находится в пределах ± 5,7 мкм, что соответствует рекомендациям, полученным в первой главе, и оставляет достаточный резерв для остальных составляющих погрешности.

Большое влияние на результат измерения контактными щуповы-ми средствами съема первичной информации оказывают податливость лопатки и величина контактного усилия. Экспериментально установлено, что податливость лопаток 36(436) в крайних сечениях при консольном креплении в замке составляет ориентировочно 0,56мкм/г, когда сила прикладывается по оси лопатки (для 18 лопатки — 0,19мкм/г). При закреплении лопатш в замке и бобышке максимальная податливость имеет место посредине лопатки и ориентировочно в 20...30 раз меньше вышеуказанной.

Контактное усилие зависит от усилия затяжки Рзат контактов щупового датчика, и для позолоченных контактов, работающих в цеховых условиях, должна ориентировочно составлять 15 г. Тогда при

шаге щупов 8 мм и нажатых всех щупах полное контактное давление с одной стороны составит 250 г для лопаток 36(436) типа и до 500 г для 18 лопатки. Соответствующие деформации при консольном креплении лопаток доходят до 140 и 95 мкм, что значительно больше допускаемой величины; при двухопорном креплении лопаток эти цифры уменьшаются до 5...8 мкм, что также требует принятия мер для компенсации деформаций лопатки.

Уменьшение влияния упругих деформаций лопатки до приемлемой величины может быть достигнуто: 1) существенным уменьшением контактного усилия на лопатку со стороны МДК; 2) введением поправок к результату съема первичной информации о положении поверхности пера. Возможен и третий путь, объединяющий оба предыдущих", в этом случае поправка значительно меньше и ее можно рассчитывать с меньшей точностью.

Основная идея уменьшения контактного усилия заключается в создании МДК с нелинейной силовой характеристикой, путем прекращения давления на лопатку тем щупом, который уже коснулся лопатки (рис. 1). Экспериментальная проверка и расчеты показали, что наилучшим техническим решением, реализующим такую характеристику, является применение линейного электропривода каждого щупа в виде электромагнита постоянного тока с замкнутым магнитным потоком (рис. 2). Первоначально щуп находится в предварительном положении, затем электромагнит подтягивает щуп в максимально выдвинутое положение и сжимает контакты щупа (якорь к ярму) с силой Рза1. После касания щупом лопатки происходит разрыв контактов и обесточива-ние электромагнита; дальнейшее давление этим щупом на лопатку определяется только силой трения Р-ф щупа в направляющих. Расчет такой электромагнитной системы в процессе притягивания якоря щупа сводится к обеспечению выполнения неравенства:

Рэм(Д) > Рмех(д), где рэм — электромагнитная сила притяжения якоря,

^мех ~~ сила противодействия, равная сумме Р^ и силы противодействия дополнительного контакта 2, обеспечивающего электрическое соединение с якорем щупа.

Решение составленных уравнений показало, что минимальное значение коэффициента ЗсШсЮЭ Х-зап — Рэм/^мех ИМС6Т МССТО При 1

Д =—(4 — а/А2)А2 и равно: 6

Кзап.мин= 13,5[Д2(2 + й/Д2)31->.

Рис.1. Зависимость контактного усилия

Г*-канального датчика касания от количества коснувшихся потов при контроле наклонной плоскости: а—традиционная схема: б-предлагаемая схема

Рис.2. Принцип действия МДК с нелинейной силовой характеристикой: а—схема механизма и магнитных цепей:

б-усилия при перемещении якоря (значения в условных единицах): Положения щупа:

-предварительное

---------выдвинутое

------ втянутое

Ампервитки катушки электромагнита выбираются из условия, чтобы Кзап.мин -1>5 и обеспечивалось надежное притягивание якоря.

Электрическая схема управления электромагнитом собрана с применением интегральных микросхем и обеспечивает после полного выдвижения щупа уменьшение тока через электромагнит до тока удержания, соответствующего рзат= 15 г.

Расстояние между опорами щупов выбирается при заданном вылете исходя из условия размещения электромагнитных систем при заданном ходе щупа, и затем проверяется на изшб и смещение щупа при контроле наклонных участков профиля.

Экспериментальные исследования опытного образца МДК с 32 щупами диаметром 4 мм, расположенными с шагом 8 мм, показали, что контактное усилие не превосходит 50 г независимо от количества коснувшихся щупов. Разброс показаний МДК при контроле жесткой поверхности находится в пределах ±2 мкм с вероятностью Р= 0,95.

Получена зависимость величины поправки на изгиб лопатки. При размыкании контакта в к-и щупе для МДК, собранного по традиционной схеме: К

= Е (Рзат + /у^с) 8Й, ¡=1

где I к — перемещение МДК между моментами размыкания контактов ¡-го и к-го щупов;

с — жесткость пружины щупа;

5¡к — перемещение лопатки в к-й точке под действием единичной силы, приложенной в /-й точке.

Для предложенного МДК с нелинейной характеристикой:

К

¡к ~ ^зат ^ кк Ртр £ ¿-1

С учетом данных о податливости лопатки и контактном давлении МДК сделан вывод о том, что при двухоперном закреплении лопатки можно применять МДК, собранный по традиционной схеме, с одновременным расчетом и вводом поправок на изгиб лопатки. При консольном закреплении лопатки необходимо применять разработанный МДК с нелинейной силовой характеристикой.

Для определения коэффициентов 8д., при помощи которых вычисляются поправки на изгиб лопатки, разработана методика их расчета, основанная на применении метода конечных элементов с четыре-хузловыми изопараметрическими элементами к математической модели пера лопатки. Получены значения квадратной матрицы податливостей

сечения, элементами которой являются перемещения точек сечения с координатами щупов под действием единичных сил, имеющих координаты щупов.

В третьей главе рассмотрены вопросы ввода в ЭВМ и преобразования первичной информации.

На основании анализа различных вариантов съема данных с МДК сделан вывод о том, что при использовании современных компьютеров с тактовой частотой 33 МГц и более целесообразно применять обегающий опрос состояния контактов щупов (замкнуто/разомкнуто), при котором используется минимальный объем электронного оборудования и обеспечивается достаточная скорость подвода МДК к лопатке — 10 мм/с. Погрешность опроса при этом не превышает единицы младшего разряда вычислений, т.е. 1 мкм.

Разработана процедура вписывания идеального профиля в реальные отсчеты, которая включает два этапа. На первом этапе вписывание осуществляется по критерию минимума среднеквадратичного отклонения, затем, в случае отрицательного результата первого этапа, т.е. выхода отчетов за допуск, переходят ко второму этапу — вписыванию по минимаксному критерию применительно к значениям максимального отклонения профиля в тело сечения (критерий М-). Последовательность положений вписываемого сечения при различных критериях вписывания иллюстрируется рис. 3.

Из рис. 3 наглядно видно, как переход к одностороннему минусовому минимаксному критерию М- позволяет выйти из оценки «неисправимый брак сечения» (рис. За), полученный при использовании СКО критерия, и перейти к оценке «брак исправимый», после чего снять излишки металла со спинки и получить годное сечение. Следует, однако, отметить, что использование М-критериев увеличивает время поиска положения наилучшего вписывания, что подтвердилось статистическим сравнительным моделированием работы различных критериев. По результатам моделирования можно рекомендовать следующие значения шагов при вписывании: 10 мкм по оси X; 1/20 значения максимального отклонения на предыдущем шаге — по оси У; 0,1 угловой минуты — по ср. При этом обеспечивается время выполнения двухэтапной процедуры 0,4 с на ЭВМ с процессором 486 ДХ4 при тактовой частоте ЮОМГц.

Определение ширины профиля В производится при помощи щупов нижнего ряда, когда лопатка повернута в такое положение, что прямая, касающаяся кромок со стороны корыта, параллельна оси У. Расстояния В[ и В2 кромок от оси X определяются из геометрических соображе-

Ж"' ^ V Л

• А А • • • . . У

• »"Г-^-г-г' У А.а ' у

а':--'— о*-*—— —

в)

Рис.3. Сравнение результатов вписывания идеального профиля в реальные отсчеты на основе различных критериев:

а—минимума среднего квадрата

отклонения: б—минимаксного двухстороннего: в-минимаксного одностороннего минусового.

------ вписанный профиль:

------- допусковые линии:

А —точки, выходящие за допуск

ний, т.к. известны положение оси Ъ, номинальные радиусы кромок и положения касательных к кромкам.

Толщины С! и С2 определяются на заданном расстоянии от кромок, как расстояние между кривыми, проведенными через несколько (3...4) крайних замеров по обеим кромкам сечения раздельно для спинки и корыта. Определение Смакс происходит по аналогичной схеме, включающей аппроксимацию нескольких (6...8) отсчетов в районе ожидаемого положения максимума раздельного для спинки и корыта и решение задачи проведения между этими кривыми окружности максимального диаметра. Выполнен расчет погрешности определения максимального значения пологой кривой, представленный равномерными отсчетами. С использованием результатов этого расчета установлено, что погрешность определения Сшкс ориентировочно равна 2/3 погрешности отдельного отсчета.

На основании изложенного разработана программа обработки первичной информации о координатах профиля, блок-схема алгоритма которой представлена на рис. 4.

Четвертая глава посвящена описанию практической реализации результатов исследований.

Описана конструкция и работа системы контроля профиля пера вентиляторных лопаток ГТД типа ВЕНТА, разработанной с использованием результатов выполненных исследований, состоящей из собственно измерительной машины (ИМ), двух МДК, шкафа ЧПУ и вычислительного комплекса. Конструктивно ИМ (рис. 5) представляет собой коробчатое основание 1, на которое установлены две стойки 2 с направляющими. По этим направляющим перемещается траверса 3 с двумя МДК 4. Каждый из МДК перемещается автономно горизонтально по направлению к лопатке 5. В основание вмонтирован поворотный стол 6, в который устанавливается зажимное приспособление 7 для закрепления замка лопатки. Вертикальные стойки соединены вверху балкой 8, на ней установлен подвижный центр 9 для технологической бобышки. На основании расположены также кронштейны 10 с выравнивающими плитами 12, которые необходимы для выдвижения щупов МДК в предварительное положение, и упоры 11с паспортизованным расстоянием между ними.

Приводы по всем 4 осям ИМ электрические позиционные с ЧПУ. Датчики угла установлены непосредственно на ходовых винтах ШВП и поворотном столе. Предусмотрены меры для выборки зазора в механизмах и стопорения.

Основные технические характеристики ИМ: ход МДК по верти-

Рис.4. Блок-схема алгоритма обработки первичной информации при контроле геометрии сечения пера вентиляторных лопаток

Рис.5. Схема измерительной машины.

кали — 900 мм, по горизонт&чн — 260 мм; скорость максимальная по вертикали — 125 мм/с, по горизонтали — 200 мм/с; кинематическая точность установки МДК в заданное относительно лопатки положение

— мкм; мощность электродвигателей — 1,7 кВт; габариты — 1500x820x2470мм; масса — 2300 кг.

Числовое программное управление положением и скоростью МДК реализовано с использованием двух двухканальных электроприводов с широтно-импульсной модуляцией типа ЭШИМ-1 и блоков программного управления типа УЦИ50020. Связь системы ЧПУ с ЭВМ по последовательному интерфейсу RS232.

Многоканальный датчик касания разработан по описанной во второй главе схеме и имеет следующие основные характеристики: количество х шаг щупов верхнего ряда — 32x8, нижнего — 1; вылет щупов в выдвинутом/втянутом положении верхнего ряда —110/60, нижнего ряда — 80/30 мм; диаметр щупа — 4 мм, радиус закругления

— 2 мм; усилие при замере профиля — не более 50 г, хорды — 100 г; разброс показаний на жесткой поверхности не более ±2 мкм; напряжение и ток питания +5 В, 10 мА; +15 В, 1,5 А; габариты корпуса 290ХЮ0Х 100мм; масса — 6,5 кг.

Вычислительный комплекс собран с использованием 486 ДХ4 процессора с тактовой частотой 100 МГц, ОЗУ 8 МБ, НЖМД 420 Мб, КЭШ 256 Кб, цветной монитор 14", принтер, 2 последовательных порта. В качестве блоков ввода/вывода дискретных сигналов применяется модуль PCL-722 на 144 бита с организацией 24x6 портов; каждый порт программируется на работу в режиме ввода или вывода. Для исключения влияния помех, наводящихся в линиях связи с ЧПУ и ИМ, применяются модули оптоэлектронной и релейной развязки.

Программное обеспечение системы реализует полностью автоматический режим работы системы контроля по отдельным чертежным сечениям, по произвольным сечениям, лопатки в целом, вывод результатов контроля на монитор с заключением по сечению или лопатке в целом «Норма», «Брак неисправимый» и «Брак исправимый» с рекомендациями о местах и толщине подлежащего съему металла. Результаты окончательного контроля передаются также на печать, в библиотеку ЭВМ и на ЭВМ верхнего уровня.

В результате испытаний опытного образца системы с одним МДК и без поворота лопатки была получена погрешность контроля профиля порядка ± 6,2 мкм, что соответствует расчетам и позволяет считать, что система в полном объеме обеспечит погрешность не более заданной ±15 мкм.

В диссертации приведены также результаты длительного цикла работ, направленных на разработку и внедрение технологической оснастки для повышения точности и производительности изготовления сложных деталей ГТД, а также универсальной переналаживаемой контрольно-измерительной оснастки.

Описаны разработанные с учетом концепций УПТО зажимной патрон для закрепления тонкостенных деталей, делительное поворотное устройство, поворотный делительный стол, приспособление для фрезерования криволинейных пазов, устройство для обработки периодически повторяющихся участков с фасонной поверхностью на деталях типа тела вращения, приспособления для обработки поверхностей Хвостовика и бандажной полки лопаток турбины для шлифования повторяющихся поверхностей и др. Все приспособления существенно повышают производительность изготовления деталей сложной формы.

Универсальная переналаживаемая контрольно-измерительная оснастка состоит из базовой детали и сменных наладок, проектируемых на определенную деталь-операцию. Их использование сокращает трудоемкость проектирования в 4—6 раз, а трудоемкость изготовления в 6—10 раз по сравнению со специальным контрольным приспособлением. Наиболее успешно в АО «Мотор С14» решены вопросы создания и применения переналаживаемой контрольно-измерительной оснастки на следующие детали и поверхности: эталоны (меры) для настройки приспособлений при контроле больших линейных размеров; контроль замка и профиля лопаток; контроль биений, эвольвенты и пятна контакта шестерен; контроль перпендикулярности и параллельности; контроль диаметров, биений радиальных и торцевых поверхностей корпусных деталей и др.

Упомянутая технологическая оснастка широко внедрена в цехах АО «Мотор Слч->: более 7 тыс. базовых приспособлений и почти 60 тыс. наладок к ним. Ожидаемое снижение трудозатрат от использования системы ВЕНТА оценивается от 50 до 120 человекомесяцев при объеме производства порядка 6 тыс. вентиляторных лопаток в год.

На основе проведенных теоретических исследований и внедрения технологической оснастки и контрольно-измерительных приспособлений и систем даны рекомендации по разработке технологических процессов изготовления вентиляторных лопаток ГТД.

Ниже приведен частичный план обработки вентиляторных лопаток двигателя Д-18, в котором нашли отражение результаты работы.

№№ оп. Наименование операции Вид оснастки или контрольно-измерительных приспособлений Отражение результатов научно-исследовательной работы в техпроцессах

009 Фрезерно-центровальная Приспособление зажимное АС № 439350

037 Фрезерная Приспособление поворотное АС № 438519

050 Продол ьно-фрезерная Приспособление

065 Фрезерная Приспособление на станок МА655А2

070 Фрезерная Приспособление на 4х шпиндельный горизонтально-фрезерный станок

087 Фрезерная Универсально-переналаживаемое приспособление

090 Фрезерная Прибор для настройки инструмента АС № 1221486

247 Шлифовальная

285 Полировальная Устройство для измерения геометрических параметров деформируемых изделий Патент РФ N° 920111584/28

Выводы

1. Разработана методика расчета точностных характеристик оборудования для способа контроля геометрических параметров деформируемых изделий типа лопаток и лопастей.

2. Разработана методика автоматизированной оценки соответствия реального профиля технологическим требованиям.

3. Для обеспечения необходимой точности контроля профиля нужно учитывать величину упругих деформаций лопатки под действием контактных сил со стороны многоканальных датчиков касания и вносить соответствущую поправку в случае двухопорного закрепления лопатки в замке и технологической бобышке.

При контроле геометрии полностью готовой вентиляторной лопатки без технологической бобышки, закрепляемой только в замке, необходимо использовать разработанную схему построения датчиков касания с управляемой нелинейной силовой характеристикой, что существенно уменьшает контактное давление многоканального датчика касания.

4. Исследованиями основных характеристик МКД, определяющих точность съема первичной информации, установлено, что разброс показаний находится в пределах ± ( 1 — 2) мкм при Р = 0,95, а контактное усилие при замере профиля пера не превышает 50 г независимо от количества коснувшихся щупов, что позволяет контролировать кон-сольно закрепленные в замке готовые вентиляторные лопатки без технологической бобышки с введением поправок на изгиб только в крайних сечениях лопатки.

5. На основе метода конечных элементов с четырехузловыми изо-параметрическими элементами разработана методика расчета на ЭВМ по объемной математической модели пера лопатки ее квадратной матрицы податливостей сечения, элементами которой являются перемещения точек сечения с координатами щупов под действием единичной силы, имеющей координаты щупов.

6. Ввод данных в ЭВМ о координатах поверхностей пера, входной и выходной кромок должен производиться с использованием обегающего опроса состояния контактов щупов (замкнуто/разомкнуто) многоканальных датчиков касания.

7. Статистическое моделирование алгоритмов вписывания идеального профиля сечения в реальные отсчеты показало, что оптимальным по быстродействию и правильности оценки соответствия реального профиля техническим требованиям является способ, основанный на двухэтапной процедуре: вначале вписывание по критерию минимума среднеквадратичного отклонения, затем (в случае отрицательного результата первого этапа) использование минимаксного критерия к значениям максимального отклонения про-филя в тело сечения.

8. Разработанная конструкция собственно измерительной машины специализированной системы контроля профиля пера вентиляторных лопаток, полностью отвечающая предъявляемым требованиям по точности, быстродействию и удобству работы, предусматривает вертикальное расположение лопатки; применение двух МКД, подводимых к лопатке одновременно с разных сторон; поворот лопатки на оптимальный для каждого сечения угол; перемещение обоих МКД по вертикали на траверсе; числовое программное управление механизмами; привод с использованием высокомоментных двигателей постоянного тока, передач ШВП и импульсных датчиков угла поворота в цепи обратной связи по положению.

Расчет точности и быстродействия системы контроля в цеховых условиях показывает, что они соответствуют технологическим требованиям.

9. Разработанная и внедренная в цехах АО «Мотор-Слч» универсальная переналаживаемая технологическая оснастка УПТО за продолжительное время использования как на контрольно-измерительных операциях, так и при изготовлении деталей ГТД сложной формы, зарекомендовала себя как эффективное средство повышения точности и производительности контроля и изготовления сложных деталей ГТД.

Список основных публикаций по теме

1. A.C. № 325159 СССР. М. Кл. В 23g 17/04. Поворотный делительный стол /Н.П.Виноградов, В.А. Леховицер, Л.И. Шнитман, К.Д. Ламбак, Н.Ф. Химочко.-З С.//Б.И.-1972. -№3.

2. A.C. № 379335 СССР. М. Кл. В 23с 3/28. Приспособление для фрезерования криволинейных пазов /В.А. Леховицер, Л.И. Шнитман, Н.Ф. Химочко. -3 С.//Б.И.—1973.—№20.

3. Шнитман Л.И., Баранов С.Е., Леховицер В.А. Применение переналаживаемой контрольно-измерительной оснастки — резерв обеспечения стабильности качества выпускаемой продукции //Авиа-цион-ная промышленность,—1973.—№10.—С.75—78.

4. A.C. №438519 СССР. М. Кл. В 23g 17/02. Делительное поворотное устройство/В.А. Леховицер. —2с. //Б.И. —1974.—№29.

5. A.C. № 439350 СССР. М. Кл. В 23Ъ 31/02. Зажимной патрон для закрепления тонкостенных деталей /А.Д. Зархин, В.А. Леховицер, Л.И. Шнитман, Г.О. Каланчук. -Зс. //Б.И. -1974. -№30.

6. Леховицер В.А., Шнитман Л.И., Вах И.Г. Приспособление для обработки криволинейных пазов /Вестник машиностроения. — 1974. — №10. -С. 43-44.

7. Леховицер В.А., Шнитман Л.И. Обработка поверхностей хвостовика и бандажной полки лопаток турбины в многоместных приспособлениях /Авиационная промышленность. —1974. —№11. — С. 20 — 21.

8. A.C. № 657973 СССР. М. Кл. 2В 24В 17/02. Устройство для обработки периодически повторяющихся участков с фасонной поверхностью на деталях типа вращения /В.А. Леховицер, Н.Ф. Химочко, Л.И. Шнитман. -5с. //Б.И. -1979. -№15.

9. A.C. № 837785 СССР. М. Кл. К В 24 В 17/02. Устройство для шлифования повторяющихся фасонных поверхностей /B.C. Танкилевич, В.А. Леховицер, Л.И. Шнитман. —5с. //Б.И. —1981. №22.

10. A.C. № 1221486 СССР. М. Кл. 4G 01 В 9/04. Устройство для измерения радиуса и угла сопряжения поверхностей деталей / B.C. Танкилевич, В.А. Леховицер, Л.И. Шнитман. —4с. //Б.И. —1986. -№12.

11. A.C. № 1466914 СССР. М. Кл. В 24 В 39/02. Устройство для обработки внутренних торцевых поверхностей корпусных деталей /В.Ф. Притченко, В.К. Яценко, Л.С. Рывкин, В.А. Леховицер. —4с. //Б.И. — 1989. -№11.

12. Комплексная автоматизация технологической подготовки про-

изводства /В.А. Богуслаев, В.А. Леховицер, В.Ф.Сорокин, Ф.Ш. Константиновский, И.Г. Ромашко /Новые технологические процессы и надежность ГТД //Под ред. проф. Биргера И.А. —М: Изд-во ЦИАМ, 1991. -С. 3-33.

13. Исследование деформации лопаток ГТД при точечном нагру-жении щуповыми датчиками контроля геометрии /Г.М. Гавеля, И. П. Железко, В.А. Леховицер, В.Я. Ободан. /Динамика и прочность машин и конструкций //Под ред. акад. В.И. Моссаковского. — Дн-ск.: Изд-во ДГУ, 1993. -С. 37—45.

14. Устройство для измерения геометрических параметров деформируемых изделий /В.Я. Ободан, В.А. Богуслаев, В.А. Леховицер, Е.А. Бердянский, Е.Р. Липский, A.B. Лысенко //3-ка на выдачу патента РФ № 92011584/28 от 09.12.92. — Решение о выдаче патента от 25.06.93.

15. Богуслаев В.А., Леховицер В.А., Ободан В.Я. Основные принципы построения специализированных КИМ контроля геометрии лопастей энергомашин /Проблемы динамики и прочности электро- и энергомашин. Всеросийский научный семинар //Под ред. проф. Фридмана В.М. —СПБ.: Ин-т проблем машиноведения РАН, 1993. - С. 55.

16. Богуслаев В.А., Леховицер В.А., Ободан В.Я., Бердянский Е.А. Многоканальный датчик касания для контроля геометрии вентиляторных лопаток авиадвигателей /Датчики электрических и неэлектрических величин. Труды 2-й Международной конференции. — Барнаул: Росийская инженерная академия, 1995. —С. 46—47.

Abstract

Victor ALekhovitzer. Investigation and development of geometry inspection procedure of gas-turbine engine fan blades taking into consideration elastic deformation during measurement.

Competition for doctoral thesis for doctor of technical sciences degree in speciality 05.07.04 — aircraft production engineering, Kharkov Aeronautical Institute, Kharkov, 1996.

Analytical and experimental methods for fan blade geometry inspection have been represented, the fan blade deformation model has been developed, the procedure for multichannel measurement of curvilinear blade aerofoil surface has been developed and in so doing the blade is considered as an elastic body and the method of inscribing the ideal profile into the real one is also expounded.

New facilities for blade geometry inspection have been adopted in industry.