автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование качества поверхностного слоя при дробеструйной обработке в ремонтном производстве

На правах рукописи

Бардинова Светлана Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКЕ В РЕМОНТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2013

5 ДЕК

005542185

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования -Рыбинском государственном авиационном техническом университете имени П. А. Соловьева.

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович

Официальные оппоненты

Дмитрий Львович Соловьев, доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация проектирования машин и технологических процессов» Муромского института филиала Владимирского ФГБОУ ВПО Владимирский государственный

университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых Алексей Станиславович Букатый, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО Ярославский государственный

технический университет

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО Брянский государственный технический университет, г. Брянск

Защита диссертации состоится 25 декабря 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования - Рыбинском государственном авиационном техническом университете имени П. А. Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г - 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования - Рыбинском государственном авиационном техническом университете имени П. А. Соловьева.

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие технологии машиностроения характеризуется совершенствованием технологических методов и приемов преобразования исходного материала детали в состояние, соответствующее условиям эксплуатации изделий.

В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с решением проблемы по определению условий обработки с целью достижения качественных показателей поверхностного слоя детали с обеспечением требуемых эксплуатационных свойств, а именно, износостойкости и усталостной прочности, и, как следствие, повышения надежности и долговечности на примере лопаток ротора и статора 1-8 ступеней и 9-11 ступеней компрессора высокого давления из материала ВТ6 и ЭИ787 соответственно при проведении капитального ремонта двигателей ГТД из серии Д-ЗОКУ/КП.

Выбор указанной проблемы связан с тем что, несмотря на значительный период изготовления двигателей, отсутствует методика оптимального выбора метода ремонта при получении требуемой шероховатости поверхности и обеспечении износостойкости и усталостной прочности лопаток статора и ротора компрессора высокого давления с учетом их себестоимости. Это обязательно приведет к необоснованно большим экономическим потерям.

Несмотря на большой опыт практического применения методов поверхностного пластического деформирования для упрочнения деталей, исследования в области поверхностного пластического деформирования до сих пор не сложилось научно-обоснованных методик оценки эффективности упрочнения, выбора оптимального метода и режима обработки. Существующие расчетные зависимости по определению параметров поверхностного пластического деформирования базируются на разных методологических принципах и моделях, что препятствует комплексному подходу к анализу явлений, протекающих в поверхностном слое при поверхностном пластическом деформировании.

Степень разработанности темы

Большие заслуги в области повышения сопротивления усталости деталей принадлежат таким ученым как И. В. Кудрявцев, А. П. Бабичев, Л. Г. Одинцов, В. В. Петросов, Э. В. Рыжов, А. Г. Суслов, В. М. Смелянский, Д. Д. Папшев, А. В. Киричек и др. Интерес в области повышения выносливости материалов представляют работы А. М. Сулимы, М. И. Евстигнеева, С. В. Серенсена. Эти работы посвящены изучению остаточных напряжений в поверхностном слое.

В некоторых работах приведены теоретические и экспериментальные исследования влияния технологических факторов на упрочнение поверхностного слоя.

Исследования в этом направлении обусловлены необходимостью изучения связей между характеристиками качества поверхностей и параметрами обработки, а также эксплуатационными свойствами деталей.

Кроме того, необходима разработка обоснованных методик оценки технологических возможностей и производительности дробеструйного метода обработки, а также математических зависимостей, позволяющих рассчитывать параметры обработки с помощью ЭВМ.

Цель работы

Исследование качества поверхностного слоя при дробеструйной обработке при выполнении ремонта деталей ГТД, выявление общих закономерностей формирования поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении.

Для того, чтобы достичь поставленные в работе цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ процесса формирования поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении.

2.Установление расчетных зависимостей шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении.

3.Проведение экспериментальных исследований влияния различных условий обработки на качество поверхностного слоя.

4.Сопоставление результатов расчета и экспериментов.

5.Разработка практических рекомендаций по обеспечению качества поверхностного слоя деталей при дробеструйном упрочнении при ремонте деталей ГТД.

Научная новизна

1. Установление расчетных зависимостей шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении

2. Разработка алгоритма назначения режимов обработки при дробеструйном упрочнении, условием оптимизации которой является качество поверхностного слоя (шероховатость поверхности, и свойства поверхностного слоя). Приводится взаимосвязь технологических параметров с параметрами поверхностного слоя.

Теоретическая и практическая ценность работы

1. Результатом исследования является обоснование выбора технологии ремонта деталей газотурбинных двигателей с применением дробеструйного упрочнения.

2. Установленные расчетные зависимости шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении могут использоваться при ремонте деталей газотурбинных двигателей.

3. Разработанная методика и алгоритм назначения режимов при дробеструйной обработке позволяет выбирать оптимальные условия упрочнения с учетом заданных показателей качества ремонтируемой детали.

Методологическая основа работы - системный подход к описанию и изучению взаимосвязи технологических факторов с параметрами состояния

поверхностного слоя, т.е. определение внутренних закономерностей процесса формирования поверхностного слоя с параметрами его состояния.

Теоретические исследования основаны на основных положениях технологии машиностроения и представления о формировании эксплуатационных свойств деталей машин и качества поверхностного слоя.

Экспериментальные исследования основываются на современных статистических математических методах, методах обработки экспериментальных данных на базе математического анализа.

При выполнении работы были использованы прогрессивные методы оценки процессов механической обработки, параметров качества поверхностного слоя деталей и показателей, характеризующие сопротивление усталости лопаток.

В данной работе представлены конструктивная особенность лопаток авиационных двигателей и повышение надежности лопаток при использовании методов поверхностной пластической деформации, описана существующая технология ремонта лопаток и дано представление о применении дробеструйного упрочнения при восстановительном ремонте деталей газотурбинных двигателей после эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель зависимости шероховатости поверхности, от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении.

2. Математическая модель зависимости глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении.

3. Методика и алгоритм назначения режимов обработки при дробеструйном упрочнении, условием оптимизации которой является качество поверхностного слоя (шероховатость поверхности, и свойства поверхностного слоя).

Апробация работы

Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология - 2012», Орёл, 2012; Международной научно - технической конференции «Механика ударно -волновых процессов в технологических системах», Ростов - на - Дону, 2012; IV международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении- 2012», Рыбинск, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ в различных журналах и сборниках научных трудов, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованных источников. Объем работы - 129 страниц машинописного текста, включающего 70 рисунков, 24 таблицы, 79 формул, список использованных источников из 71 наименования.

70 рисунков, 24 таблицы, 79 формул, список использованных источников из 71 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цель и задачи исследований, представлены направления исследований.

В первой главе проанализированы причины разрушения и изнашивания лопаток ГТД и обозначена проблема обеспечения требуемого качества поверхностного слоя при ремонте и увеличения ремонтопригодности деталей. На основании литературных данных описана сущность процесса поверхностного пластического деформирования (ППД), представлен подробный анализ выполненных ранее исследований в области физики процесса обработки, основанного на пластическом деформировании и указаны основные подходы к оценке эффективности дробеструйной обработки. Рассмотрены методы обработки дробью, выполнен анализ научных работ в области обеспечения точности обработки и качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей методами ППД. Рассмотрены результаты исследований работ в области производительности метода ППД потоком обрабатывающих тел. Проанализированы технические возможности существующих методов ППД и установлено что, несмотря на определенные успехи в разработке и практическом освоении методов дробеструйной обработки, выбор режимов производится в большинстве случаев на основании экспериментальных данных и эмпирических соотношений.

После проведенного анализа проблем сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе предпринимается попытка выявления общих закономерностей формирования поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении. Приводится схема единичного взаимодействия дробинки с обрабатываемым материалом, условно определенным как пластическое полупространство. Проанализированы исследования ученых в области накопления энергии деформации для различных металлов, видов деформации и температур испытаний, на основании которых можно утверждать, что процесс накопления в поверхностном слое скрытой энергии деформации при дробеструйном упрочнении идентичен процессу накопления скрытой энергии при других видах упрочнения.

Энергию деформации Е, накопленную в материале при образовании дислокаций, определим по формуле, предложенной автором:

_____р-^т_

а2-С (а V'6'

3,125

Уавэ)

где Еуа - удельная накопленная энергия, Дж/м3; С - модуль сдвига материала детали; коэффициент пропорциональности, который равен (0,5-1) Н/м2; а - параметр междислокационного воздействия; авэ - предел прочности

электротехнической стали, принятой за эталон, МПа; ав - предел прочности обрабатываемого материала, МПа; Ии - глубина наклепа, мкм; Р - сила деформирования, Н; ат - предел текучести материала обрабатываемой детали, МПа.

Зависимость остаточных напряжений от степени пластической деформации при дробеструйной обработке и их влияние на усталостную прочность материала трудно сопоставить, так как они приводятся применительно к определенным материалам в одном структурном состоянии.

На базе общей модели деформационного упрочнения металлов, построением которой занимались многие ученые, среди которых Г. Тейлор, Н. Мотг, А. Зегер, П. Хирш, получена формула для определения степени наклепа АН через удельную энергию образовавшеся при пластической деформации:

л тт ос [Ш

исходная микротвердость металла по Виккерсу. После

где НУ0

преобразования формула (2) примет вид:

АН =

ГШ

а

0,33Н¥0 V О 0,33НУ0

/ \ 2

б ■а Н Т в

«2С г \ СГ 0,8 О

1,25 в

(7

к -а

и г

0,4125 НУ

0,5

(3)

вэ

Таким образом, выражение для определения степени наклепа при дробеструйной обработке примет вид:

/г • <т

н т_

/ \0,8 , (4)

АН =

0,4125 НУ,

СГ

К вэ)

где Ь - глубина наклепа, мкм.

Для установления расчетной зависимости глубины наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении процесс обработки дробью рассмотривается как дискретный процесс независимых последовательных ударов стальных шариков без учета перекрытия их отпечатков (рис.1,2).

Силу удара дробинки при упрочнении можно определить по формуле:

Р =-^--ъта, (5)

где т - масса дробинки, у0 - скорость дробинки, ц - время удара дробинки при ударе, к - коэффициент восстановления скорости при ударе, а - угол атаки дроби.

Скорость движения дроби в газоабразивной среде определим как:

0,6

Рг'1

Рб-Ъ"

(6)

где / - длина сопла, рг, рд - плотность воздуха и материала дроби, О - диаметр дроби, уг - скорость газа, зависящая от его давления и диаметра сопла. Исследованием Я.Н. Отения установлено, что

(7)

Подставив выражение для силы удара и скорости дробинки в формулу (7), получим выражение для определения глубины наклена:

7-у, 0,6--г 1-{\ + к) ^па

1 РдР

2(0 аТ

(8)

уа/\ /И * J

и ^ -г-/ у Х^?

Рисунок 1. Схема взаимодействия потока дроби с обрабатываемой поверхностью.

Рисунок 2. Схема взаимодействия дроби с обрабатываемой поверхностью.

Коэффициент восстановления скорости при ударе к можно определить по формуле, предложенной Муминовым М. Р:

к = 1,79

Я0'75 ■ НВ1'25

^дин ' Епр

(9)

где Я —■ радиус дроби, НВ - твердость обрабатываемого материала по Бринеллю, Адт - кинетическая энергия дробинки, Е„р - приведенный модуль упругости материалов контактируемых поверхностей.

Скорость воздуха, проходящего через сопло, можно определить по формуле:

4д_

' (Ш)

='

где с1 - диаметр сопла, д - объемный расход воздуха, м3/ч.

Объемный расход воздуха д можно определить, используя следующее выражение:

4 =

С-АР

Рг

кх-М

Z-R-T

(11)

где С - поправочный коэффициент по пропускной способности сопла; А -площадь сечения сопла, м2; Ра - абсолютное давление газа перед соплом, Па; рг - плотность газа, кг/м3; = с/сп где ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(К-моль), су - удельная теплоемкость при постоянной температуре, Дж/(К-моль), для воздуха к, =1,4; М - молекулярная масса газа, кг/кмоль; 2 - коэффициент сжимаемости газа при определенном давлении и температуре, принимаем 2=1; Г - температура газа перед соплом.

Подставляем выражение для определения скорости воздуха, проходящего через сопло (10) в выражение (8), получим выражение для определения глубины наклепа:

hH =

2m-q 0,6-^-^—— (l + к. )■ sinсс

1 Pd'D 17

7С ■ Íq ■ <JJ ■ (

(12)

Подставляем выражение для определения глубины наклепа кн (12) в выражение (4), получим выражение для определения степени наклепа АН с учетом технологических условий обработки:

АН -

2,42 2-сгT-m-q^ ■sin а

м о , 0,8 ^ л-ÍQ-d2

(13)

Выполнено расчетное определение шероховатости с учетом технологических условий обработки, которая зависит от исходной шероховатости, скорости, угла атаки, размера дроби, времени обработки:

, ImD 3к2т

Rz = Rmcx - voU——~ + ТТТГГт h-v7J (14)

\mrr AiDH-h^) Ayd

где Rzucx - исходная шероховатость поверхности, мкм; m - масса дроби, кг; v0 - скорость дроби, кг/ч; D - диаметр дроби, м; /w - максимальная глубина внедрения дроби, мкм; Aolm - кинетическая энергия дробинки; Ауд - удельная энергия, сконцентрированная в восстановленном объёме отпечатка; к -коэффициент восстановления скорости при ударе; ат - предел текучести материала обрабатываемой детали, МПа.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям образцов.

Обработку образцов проводили на дробеструйной установке фирмы "Rosier" VB 130. Факторами, определяющим эффективность и трудоемкость технологического процесса являются давление воздуха, продолжительность обработки, расстояние образца до сопла, диаметр дроби. Фотографии поверхностей сплава ЭИ787 и ВТ6 представлены на рисунке (3):

Р=0,2 МПа ЭИ787 Р=0,3 МПа ЭИ787 Р=0,2МПаВТ6 Р=0,ЗМГ1аВТ6

Рисунок 3 - Внешний вид поверхности образцов из материала ЭИ787 и ВТ6 после обработки при угле атаки 45°, расстояние 125 мм (х 100)

При сопоставлении шероховатости поверхностей можно сделать вывод, что с увеличением твердости обрабатываемого материала возрастание шероховатости замедляется. Величина шероховатости зависит от давления воздуха, количества проходов и пластических свойств материала.

0.1 0,2 0,3 0,5 0,7

Давление воздуха Р, МПа

♦ Угол атаки 90 • ■ Угол атаки 30"

* Угол атаки 45 °

10

ей

Ой л

н о о н 03 со о X

о

Он

0,5 0,2 3 0,1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7

Давление воздуха Р, МПа

Рисунок 4 -Зависимость шероховатости поверхности образца из материала ВТ6 от давления воздуха (расстояние от поверхности образца до торца сопла Ь=125 мм)

Рисунок 5 -Зависимость шероховатости поверхности образца из материала ЭИ787 от давления воздуха (расстояние от поверхности образца до торца сопла Ь=125 мм)

♦ Угол атаки 90 ■ Угол атаки 30 * Угол атаки 45

После выполнения анализа графиков формула для определения шероховатости поверхности Яа от технологических параметров обработки будет иметь вид:

Ла = 0,1188 • 3'07 • Р()'59'Е°'М .Х0,74.£0'73 .¿„0,42^ (15)

где Е - модуль упругости обрабатываемого материала, МПа; Р - давление воздуха, МПа; Ь - расстояние от поверхности образца до торца сопла, мм; а - угол атаки дроби.

В результате анализа можно сделать вывод, что значительное влияние на шероховатость поверхности оказывают режимы обработки.

Степень наклепа определялась по изменению микротвердости на поверхности и в сердцевине образца (рисунок 6).

а

100 60 40

20 10

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1

Давление воздуха, МПа Образцы из материала ВТ6 * Образцы из материала ЭИ787

Рисунок 6 -Изменение степени наклепа образцов из материалов ВТ6 и ЭИ787 в зависимости от давления (расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности Ь=125 мм, угол атаки 45°).

Анализируя графики взаимосвязи степени наклепа образцов из материалов ВТ6 и ЭИ787 от давления воздуха и расстояния до торца сопла получили зависимости для указанных материалов. В общем виде формула для определения степени наклепа поверхности АНУ от технологических параметров обработки имеет вид:

0,92

АН = 570,57 ■ £0'66 ■ Р°'36£ -I1

0,533.Е

-0,09

(16)

где Е - модуль упругости обрабатываемого материала, МПа; Таким образом, при дробеструйной обработке наклеп, определенный измерением микротвердости составляет:

- титанового сплава ВТ6 достигает степени 36,18%;

- сплава на железоникелевой основе ЭИ787 достигает степени 57,1 %. Далее производилось исследование глубины наклепа на образцах из

материала ВТ6 и ЭИ787, обработанных методом дробеструйного упрочнения (рисунок 7).

Рисунок 7 -Изменение глубины наклепа образцов из материала ЭИ787 в зависимости от давления воздуха (расстояние от сопла до обрабатываемой

П1 0,2 о,3 0,4 0,6 0,8 ] поверхности Ь=125

и> Давление воздуха, МПа

♦ Угол атаки 45 '■ Угол атаки 90 1 Угол атаки 30

На основе математической обработки экспериментальных данных формула для определения глубины наклепа поверхности кн от технологических параметров обработки примет вид:

Ин =9,23.£0,20.р0,37£-°'41 .¿0,33/Г0'18 .^0,6,^ (1?)

В результате анализа экспериментальных данных можно сделать вывод, что значительное влияние на глубину наклепа поверхности оказывают режимы обработки. При увеличении давления воздуха и угла атаки дроби происходит увеличение глубины наклепа, при увеличении расстояния от торца сопла до обрабатываемой поверхности глубина наклепа уменьшается. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений степени и глубины наклепа приведены в таблице 1.

Таблица 1- Сопоставление расчетных и экспериментальных значений степени и глубины наклепа при угле атаки дроби 45°, расстоянии Ь=125 мм.

Материал Давление воздуха Р, МПа Эксперимент, значение ДНУ, % Расчетное значение ДНУ, % Погрешность степени наклепа Д,% Эксперимент, значение Ин, мм Расчетное значени е Ин, мм Погрешность глубины наклепа Д,%

ЭИ787 0,2 47,42 46,49 2 0,187 0,203 7,88

0,3 50,65 57,02 11,17 0,191 0,249 23,29

0,4 57,1 65,95 13,42 0,211 0,288 26,73

0,5 55,81 73,7 24,31 0,243 0,322 24,53

ВТ6 0,2 29,36 31,82 7,73 0,143 0,178 19,66

0,3 36,18 38,97 7,16 0,178 0,218 18,34

0,4 34,82 45,05 22,7 0,183 0,252 27,38

0,5 34,82 49,7 29,9 0,201 0,281 28,46

Также проводились экспериментальные исследования остаточных напряжений, полученных при дробеструйной обработке (рисунки 8, 9).

Рисунок 8 -Результаты исследований остаточных

X 3-

I ё О

£ 100

2 о -100

£ -200 | -300 с-400 * -500

5 10 20 40 60 80 100 120 140

Расстояние от поверхности, мкм

• Образец №2 ■ Образец №4

№1-Р=0,4 МПа; Ь=125 мм;а=90°;№2-Р=0,2 МПа; Ь=100 мм;а=90°: №3-Р=0,4МПа; Ь=150 мм;а=90°;№4-Р=0,6 МПа; Ь=125 мм;а=90°;

■ Образец № 1 - Образец №3

напряжений на приборе «ПИОН-2» поверхности образцов из материала ВТ6

Рисунок 9 -Результаты исследований остаточных напряжений на приборе «ПИОН-2» поверхности образцов из материала ЭИ787

Расстояние от поверхности, мкм -*— Образец №1 Образец №2 —♦— Образец №3

№1-Р=0,4 МПа; Ь=125 мм;а=45°;№2-Р=0,2 МПа; Ь=125 мм;а=45°; №3-Р=0,ЗМПа; 1=125 мм;а=45°;

Наиболее простым методом оценки величины остаточных напряжений и управления механизмом их формирования при обработке методом дробеструйного упрочнения является определение величины прогиба образца после обработки (рисунок 10).

Рисунок 10 -Зависимость прогиба образца от давления воздуха (Ь=125 мм, 45°)

0,1 0,2 0,3 0,5 0,7

Давление воздуха, МПа

♦ 1 проход ■2 прохода * 4 прохода ■8 проходов

Анализируя графические зависимости интенсивности прогиба образцов, в общем виде формулу для определения прогиба / в зависимости от технологических параметров обработки можно представить в следующем виде:

/г-л -0,22 ЛАг -0,22 СП-о,41 Л ,

/ = 18,5 • /,0'63'7 . ¿0,05« .„0,15/> .з1п0,1а (19)

где Р - давление воздуха, МПа; п - количество проходов; I - расстояние от поверхности образца до торца сопла, мм; а - угол атаки дроби.

Практическому использованию результатов исследования посвящена четвёртая глава.

Разработана методика и алгоритм назначения режимов обработки при дробеструйном упрочнении (рисунок 11). Приведен пример расчета режимов обработки при дробеструйном упрочнении. Основным критерием оптимизации режимов в данной методике является качество поверхностного слоя

определяют эксплуатационные свойства деталей. Приводится взаимосвязь технологических параметров с параметрами поверхностного слоя.

Рисунок 11 - Алгоритм назначения режимов дробеструйной обработки

Общие выводы по работе

1. Анализ энергетического состояния поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении показал, что механизм накопления скрытой энергии при обработке дробью аналогичен механизму накопления скрытой энергии при других видах обработки. Данное предположение позволило установить расчетные зависимости шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении.

2. Экспериментальные исследования дробеструйного метода обработки при ремонте деталей ГТД позволили подтвердить теоретические зависимости шероховатости обработанной поверхности, глубины и степени наклепа от режимов обработки (давления воздуха, расстояния от торца сопла до обрабатываемой поверхности, угла атаки дроби).

л

1. технологического процесса, при которых будет сформирован необходимый поверхностный слой с указанной высотой микронеровностей и физико-механическими свойствами, снижающими время обработки деталей.

2. Результаты выполненных исследований показывают, что применение дробеструйной обработки при ремонте деталей ГТД позволяет повысить качество проводимого ремонта, увеличить срок службы отремонтированных деталей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бардинова С.Н. Формирование поверхностного слоя при дробеструйной обработке деталей ГТД / С.Н. Бардинова // Журнал Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. - Рыбинск: РГАТУ, 2013. - С. 52 - 55. (из перечня ВАК)

2. Бардинова С.Н. Повышение эффективности ремонта лопаток ротора КВД / С.Н. Бардинова // Научно-технический журнал, Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Орёл: Госуниверсигет - УНПК, 2012. - № 2-6.- С. 10-15. (из перечня ВАК)

3. Безъязычный В.Ф. Анализ степени наклепа при дробеструйном упрочнении/ В.Ф. Безъязычный, Н.В. Румянцева, С.Н. Бардинова// Научно-технический и производственный журнал, Справочник с приложением инженерный журнал - Москва:, 2013. -№ 9., С. 61-64. (из перечня ВАК)

4. Бардинова С.Н. Технологические рекомендации по использованию дробеструйной обработки при изготовлении деталей ГТД / С.Н. Бардинова // Сборник научных трудов Международной научно - технической конференции, Механика ударно - волновых процессов в технологических системах. - Ростов

- на - Дону: ДГТУ, 2012.,С. 132 -135.

5. Бардинова С.Н. Повышение эффективности ремонта лопаток ротора КВД/ С.Н. Бардинова // Сборник трудов XV международной научно-технической конференции, Фундаментальные проблемы техники и технологии

- Технология - 2012. - Москва - Орёл: Госуниверсигет - УНПК, 2012., С. 40 -42.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 22.11.2013 г. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Заказ 262.

Рыбинский государственный авиациоиный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имею! П. А. Соловьева) 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Минобрнауки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева

БАРДИНОВА СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВпа

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКЕ В РЕМОНТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

В.Ф. Безъязычный

Рыбинск - 2013

04201 45571 7

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОМ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ТЕЛ........................................................... 12

1.1 Анализ проблемы ремонта деталей ГТД........................................ 12

1.1.1 Основные причины изнашивания и разрушения лопаток...................................................................................... 13

1.1.2. Существующая технология ремонта лопаток .............................. 17

1.2 Реализация ППД методами дробеструйной обработки..................... 19

1.3 Анализ выполненных ранее исследований в области физики процесса обработки............................................................................................................. 23

1.3.1 Явления, происходящие в поверхностном слое при ППД............... 24

1.3.2 Основные подходы к оценке эффективности дробеструйной обработки.................................................................................. 26

1.3.3 Наклеп и остаточные напряжения в поверхностном слое детали........ 36

1.4 Анализ выполненных ранее работ в области обеспечения точности обработки и качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей...................................................................................... 41

1.5 Выводы по главе 1. Цель и решаемые задачи................................. 45

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА ПРИ ОБРАБОТКЕ ПОТОКОМ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ТЕЛ........................ 48

2.1 Расчетное определения поглощенной энергии в поверхностном слое при поверхностно пластическом деформировании методом дробеструйного упрочнения.......................................................... ^

2.2 Расчетное определение степени наклепа....................................... 52

2.3 Установление расчетной зависимости глубины наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении............................................................ ^

2.4 Расчетное определение шероховатости с учетом технологических условий обработки........................................................................ ^

2.5 Выводы по главе 2................................................................... 67

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ........................................................... 69

3.1 Используемое оборудование и образцы......................................... 69

3.2 Исследование шероховатости обработанной поверхности.................. 72

3.3. Исследование изменения микротвердости, степени и глубины наклепа 81

3.4 Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое............ 100

3.5 Выводы по главе 3................................................................... 109

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................... 111

4.1 Разработка алгоритма назначения режимов дробеструйной

обработки.................................................................................. ^ *

4.2 Разработка методики назначения режимов дробеструйной

обработки.................................................................................. ^^

4.3 Пример расчета режимов дробеструйной обработки по разработанной

методике..................................................................................

4.4 Выводы по главе 4......................................................................................................................................^^

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........................................................................................................120

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы В настоящее время развитие технологии машиностроения в значительной мере характеризуется совершенствованием технологических методов и приемов преобразования исходного материала детали в состояние, соответствующее условиям эксплуатации изделий.

В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с решением проблемы по определению условий обработки с целью достижения качественных показателей поверхностного слоя детали с обеспечением требуемых эксплуатационных свойств, а именно, износостойкости и усталостной прочности, и, как следствие, повышение надежности и долговечности на примере лопаток ротора и статора 1-8 ступеней и 9-11 ступеней компрессора высокого давления из материала ВТ6 и ЭИ787 соответственно, при проведении капитального ремонта двигателей ГТД из серии Д-ЗОКУ / КП.

Выбор указанной проблемы связан с тем что, несмотря на значительный период изготовления двигателей, отсутствует методика оптимального выбора метода ремонта при получении требуемой шероховатости поверхности и обеспечении износостойкости и усталостной прочности лопаток статора и ротора компрессора высокого давления с учетом их себестоимости. Это обязательно приведет к необоснованно большим экономическим потерям.

В области повышения ремонтопригодности и надежности, при эксплуатации авиационных двигателей отечественного производства и их ремонте огромный вклад внесли ученые А. А. Маталин, В. А. Богуслаев, В. К. Яценко, А. М. Сулима и др.

Ученые И. В. Кудрявцев, Л. Г. Одинцов, А. П. Бабичев, Э. В. Рыжов, В. В. Петросов, В. М. Смелянский, А. Г. Суслов, Д. Д. Папшев, А. В. Киричек внесли огромный вклад в разработку и развитие одного из старейших технологических направлений для повышения сопротивления усталости деталей -.поверхностного упрочнения, которое нашло широкое применение во всех отраслях машиностроения.

Надежность двигателей ГТД в большой степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, т.к. они являются наиболее нагруженными деталями. Лопатки подвергаются действию динамических, циклических и статических нагрузок [55].

Сложность и трудоёмкость процесса изготовления лопаток можно объяснить трудоемким профилированием, связанным с различными и независимыми друг от друга требованиями газодинамики, технологичности конструкции, прочности [2].

Технологический процесс при ремонте должен обеспечивать надлежащее качество лопаток, надежность и заданный ресурс. Кроме того, при выборе метода и способа обработки при ремонте лопаток, необходимо учитывать и экономическую целесообразность.

При внедрении наиболее прогрессивных технологических процессов при ремонте лопаток должны решаться вопросы создания и широкого применеия механизации и автоматизации механической обработки и , конечно, контролю и технологической оснастке.

Выполненный анализ технологических процессов ремонта лопаток показал, что окончательной операцией по обработке корыта и спинки лопатки является обработка полированием. Кроме того, уменьшается требуемая усталостная прочность в связи с некоторым утонением кромок пера. Поэтому в технологический процесс дополнительно вводят операцию (виброгалтовка), которая, повышает значения характеристик поверхности, не изменяя формы и точности детали, поэтому несколько увеличивается усталостная прочность лопаток.

При обработке лопаток полированием невозможно добиться постоянства эксплуатационных свойств по всей длине обработанной поверхности, т.к. в процессе резания происходит изменение технологических условий обработки, таких как изменение величины припуска, физико-механических характеристик материала заготовки, изменение скорости резания, износ инструмента, поэтому и усталостная прочность лопаток получается различной.

Внутренние факторы формируются в процессе изготовления детали и влияют на термодинамическую стабильность материала поверхностного слоя лопатки. Они описываются комплексом параметров качества поверхностного слоя, которые включают геометрические и физико-механические параметры состояния поверхностного слоя. Возникает необходимость в улучшении технологии ремонта деталей, подвергающихся циклическому воздействию. Обеспечение заданной шероховатости поверхности лопаток компрессора авиационного двигателя только механической обработкой со снятием слоя материала редко реализуется в связи с отсутствием научно - обоснованных методик расчета и прогнозирования степени изменения термодинамической стабильности материала лопаток, условий механической обработки для обеспечения требуемой усталостной прочности и выбора параметров качества поверхностного слоя и [55, 56].

При абразивном воздействии на лопатки компрессора во время эксплуатации их износостойкость и усталостная прочность определяются свойствами материала.

Изготовление новых деталей взамен забракованных очень дорогой процесс, поэтому требуется разработка технологий восстановления деталей при ремонте, которая обеспечит минимальную стоимость. Это является основной целью данной работы. Кроме того, необходимо обеспечить усталостную прочность лопаток, гарантирующих заданную долговечность.

В настоящей работе проводится анализ возможности применения такого технологического метода повышения усталостной прочности и износостойкости деталей при ремонте деталей ГТД, как дробеструйная обработка.

Дробеструйное упрочнение является простым высокопроизводительным методом обработки, который позволяет сократить цикл ремонта, снизить себестоимость ремонта, увеличить межремонтный ресурс. Для более эффективного применения дробеструйного упрочнения при ремонте деталей ГТД, необходимо найти зависимости между параметрами обработки, характеристиками качества поверхности и эксплуатационными свойствами деталей, разработать

обоснованную методику оценки технологических возможностей дробеструйного метода обработки.

Целью работы является:

Исследование качества поверхностного слоя при дробеструйной обработке при выполнении ремонта деталей ГТД, выявление общих закономерностей формирования поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении.

Для того, чтобы достичь поставленные в работе цели, необходимо решить следующие задачи:

- Анализ процесса формирования поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении.

- Установление расчетных зависимостей шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении.

- Сопоставление результатов расчета и экспериментов.

- Разработка практических рекомендаций по обеспечению качества поверхностного слоя деталей при дробеструйном упрочнении при ремонте деталей авиационных двигателей.

Методологическая основа работы - системный подход по изучению и описанию взаимосвязи технологических факторов с параметрами состояния поверхностного слоя, т.е. определение внутренних закономерностей процесса формирования поверхностного слоя с параметрами его состояния.

Теоретические исследования основаны на главных положениях технологии машиностроения и представления о формировании эксплуатационных свойств деталей машин и качества поверхностного слоя.

Экспериментальные исследования основываются на современных методах математической статистики, методах обработки экспериментальных данных на основе математического анализа.

При выполнении работы были использованы прогрессивные методы оценки процессов механической обработки, параметров качества поверхностного слоя

деталей, а также показателей, характеризующие сопротивление усталости лопаток.

В данной работе представлены конструктивная особенность лопаток авиационных двигателей и повышение надежности лопаток при использовании методов поверхностной пластической деформации, описана существующая технология ремонта лопаток и дано представление о применении дробеструйного упрочнения при восстановительном ремонте деталей газотурбинных двигателей после эксплуатации.

Научная новизна:

1. Установление расчетных зависимостей шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении

2. Разработка алгоритма назначения режимов обработки при дробеструйном упрочнении, условием оптимизации которой является качество поверхностного слоя (шероховатость поверхности, и свойства поверхностного слоя). Приводится взаимосвязь технологических параметров с параметрами поверхностного слоя.

Практическая значимость работы:

1. Установленные расчетные зависимости шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении могут использоваться при разработке технологии ремонта деталей газотурбинных двигателей.

2. Разработанная методика назначения режимов обработки при дробеструйной обработке позволяет выбирать оптимальные условия обработки с учетом заданных показателей качества ремонтируемой детали.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель зависимости шероховатости поверхности, от технологических условий обработки при дробеструйном упрочнении.

2. Математическая модель зависимости глубины и степени наклепа поверхностного слоя от технологических условий обработки при дробеструйном

упрочнении.

3. Методика и алгоритм назначения режимов обработки при дробеструйном упрочнении, условием оптимизации которой является качество поверхностного слоя (шероховатость поверхности, и свойства поверхностного слоя).

Апробация и публикация результатов диссертации.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии -Технология - 2012», Орёл, 2012, Международной научно - технической конференции «Механика ударно - волновых процессов в технологических системах», Ростов - на - Дону, 2012, IV международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении- 2012», Рыбинск, 2012.

Опубликованы материалы работы в следующих изданиях:

1. Бардинова С.Н. Формирование поверхностного слоя при дробеструйной обработке деталей ГТД / С.Н. Бардинова // Журнал Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. - Рыбинск: РГАТУ, 2013. - С. 52 - 55. (из перечня ВАК)

2. Бардинова С.Н. Повышение эффективности ремонта лопаток ротора КВД / С.Н. Бардинова // Научно-технический журнал, Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Орёл: Госуниверситет - УНПК, 2012. - № 2-6.- С. 10- 15. (из перечня ВАК)

3. Безъязычный В.Ф. Анализ степени наклепа при дробеструйном упрочнении/ В.Ф. Безъязычный, Н.В. Румянцева, С.Н. Бардинова// Научно-технический и производственный журнал, Справочник с приложением инженерный журнал - Москва:, 2013. - № 9., С. 61 - 64. (из перечня ВАК)

4. Бардинова С.Н. Прогнозирование и управление эксплуатационными свойствами деталей при ППД/ С.Н. Бардинова // Сборник материалов VIII

Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, Физико-химия и технология неорганических материалов. - Москва: ИМЕТРАН, 2011.С. 137-138.

5. Бардинова С.Н. Влияние режимов дробеструйной обработки на качество поверхностного слоя/ С.Н. Бардинова // Сборник материалов IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, Физико-химия и технология неорганических материалов. - Москва: ИМЕТ РАН, 2012.С. 545-546.

6. Бардинова С.Н. Технологические рекомендации по использованию дробеструйной обработки при изготовлении деталей ГТД / С.Н. Бардинова // Сборник научных трудов Международной научно - технической конференции, Механика ударно - волновых процессов в технологических системах. - Ростов -на - Дону: ДГТУ, 2012.,С. 132 - 135.

7. Бардинова С.Н. Повышение эффективности ремонта лопаток ротора КВД/ С.Н. Бардинова // Сборник трудов XV международной научно-технической конференции, Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология -2012. - Москва - Орёл: Госуниверситет - УНПК, 2012., С. 40 - 42.

8. Бардинова С.Н. Применение дробеструйной обработки для повышения долговечности деталей ГТД/ С.Н. Бардинова// Сборник материалов IV международной научно-технической конференции, Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении - 2012. - Рыбинск: : РГАТУ, 2012. - С. 271-276.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

ПОТОКОМ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ТЕЛ

1.1. Анализ проблемы ремонта деталей ГТД

Наиболее нагруженными деталями современных газотурбинных двигателей являются лопатки, валы и диски. Кроме того, процесс изготовления данных деталей достаточно сложен, т.к. они