автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности при изготовлении и ремонте тонкостенных изделий оболочечного типа с подребрениями

На правах рукописи

ЛЫЧЕНКОВ

Андрей Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ОБОЛОЧЕЧНОГО ТИПА С ПОДРЕБРЕНИЯМИ

05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском институте машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ)

Научный руководитель: д.т.н., профессор, академик БАИ

Васильков Дмитрий Витальевич

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор, академик МАИ

Сенчило Игорь Аркадьевич

д.т.н., профессор, академик БАИ Алексеев Георгий Александрович

Защита состоится 28 января 2005 г. в 16 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 098.02.БАИ.064 в Балтийской академии информатизации по адресу:

197348, Санкт-Петербург, Аэродромная ул., 4, ауд. 202,6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БАИ по адресу: 197348, СПб., Аэродромная ул., 4, ауд. 202,6.

Автореферат разослан

№

декабря 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор,

академик МАИ Сенчило И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Проблема обеспечения надежности работы энергетических машин, сосудов, газонефтепроводов и различных конструкций оболочечного типа, имеющих ребра жесткости и под-ребрения, с каждым годом становится все более актуальной, так как старение оборудования во многих отраслях промышленности значительно опережает темпы технического перевооружения. Например, в энергетике по состоянию на сентябрь 2002 года около 90% оборудования тепловых электростанций исчерпало парковый ресурс, и значительная его часть достигла физического износа. Указанная проблема усугубляется отсутствием научно-обоснованной концепции технической диагностики и определения ресурса и недостаточной эффективностью традиционных методов и средств неразрушающего контроля металла.

При изготовлении и ремонте указанных изделий и их отдельных частей важным становится выполнение особых требований по качеству поверхностного слоя при механической обработке, при выполнении сварных работ и при упрочнении зон термического влияния. В результате указанных работ в металле поверхностного слоя указанных участков наводятся остаточные напряжения, которые приводят к остаточным деформациям конструкции в целом.

Выполнение технологических операций без учета особенностей распределения остаточных напряжений приводит к тому, что в металле поверхностного слоя изделий, особенно в атмосферных условиях, в процессе эксплуатации в рабочих режимах вскрываются локальные внутренние и поверхностные дефекты в виде микротрещин, раковин и др. Взаимодействие таких поверхностей с внешней средой приводит к коррозионному растрескиванию, формированию и развитию трещин, нарушению сплошности оболочек и мест концентрации напряжений Результатом указанных явлений являются аварии и техногенные катастрофы.

Применение технологических методов консервирования дефектов и локализации зон концентрации напряжений дает возможность отказаться от дополнительных средств защиты указанных участков, повышает ресурсные характеристики изделия в целом и позволяет сэкономить значительные материальные средства.

Совокупность задач по обоснованному выбору мероприятий для обеспечения требуемого качества ответственных деталей энергетических и транспортных машин формирует важную научно-техническую задачу, решение которой имеет большое значение для повышения эффективности современной промышленности. Это определяет актуальность данной работы и необходимость ее выпол-

I сое. НАЦИОНАЛЬНАЯ ] 3 БИБЛИОТЕКА |

1 09 |

нения в рамках ряда научно-технических программ: «Гибкие и автоматизированные производства», МНТК «Надежность машин» и др.

Цель работы. Повышение эксплуатационной надежности при изготовлении и ремонте тонкостенных изделий оболочечного типа с подребрениями на основе применения технологических методов локализации внутренних дефектов.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

- разработана дискретная модель тонкостенного изделия обо-лочечного типа с подребрениями для решения задач прогнозирования качества обработки.

- выполнено имитационное и натурное моделирование формообразования изделий оболочечного типа при обработке лезвийным инструментом, сварке и поверхностном упрочнении с целью обоснования правильности исходных положений.

- предложены технологические режимы локализации внутренних дефектов на различных операциях изготовления и ремонта изделий оболочечного типа.

- разработаны технологические рекомендации по повышению эксплуатационной надежности при изготовлении и ремонте тонкостенных изделий оболочечного типа с подребрениями на основе применения технологических методов локализации внутренних дефектов.

Практическая ценность выполненных разработок заключается в следующем:

- предложены алгоритмы и программы, обеспечивающие направленное формирование свойств поверхностного слоя обрабатываемого изделия с учетом требований надежности;

- разработаны методики повышения эксплуатационной надежности при изготовлении и ремонте тонкостенных изделий оболочеч-ного типа с подребрениями на основе применения технологических методов локализации внутренних дефектов.

Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Надежность и диагностика технологических систем».

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием отдельных положений теории резания, теории колебаний, современной вычислительной техники; удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментов; положительным эффектом внедрения разработанных методик и предложенных технологических рекомендаций в промышленных условиях.

Реализация в промышленности. Программы и методики повышения эксплуатационной надежности при изготовлении и ремон-

те тонкостенных изделий оболочечного типа с подребрениями на основе применения технологических методов локализации внутренних дефектов использованы в условиях действующего производства. Выполненные работы приняты к внедрению на предприятиях России (ОАО «НИТИ Энергошам», ЗАО «ЛенТрансГаз» и др.).

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, фрагментарно докладывались в интервале 2002-2004 гг. на ряде научно-технических конференций, совещаний и семинаров в г. Санкт-Петербурге, а также в Северо-Западном заочном техническом университете, Санкт-Петербургском институте машиностроения и Балтийской академии Информатизации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 143 страницах, содержит 43 рисунка, 11 таблиц, список литературы, включающий 115 наименований, одно приложение.

Содержание работы

В первой главе выполнен анализ современных подходов по обеспечению качества изготовления и ресурсных характеристик тонкостенных изделий оболочечного типа закрытых и открытых, имеющих наружные или внутренние подребрения. Они составляют представительный класс изделий энергомашиностроения, транспортной энергетики, котло- турбостроения. К их числу относятся резервуары, полости, сосуды, трубы магистральных и погружных трубопроводов, лопасти гидротурбин и др.

Среди крупных достижений в исследовании качества механической обработки отметим результаты, представленные в работах Б.М.Базрова, НАБородачева, В.А.Валетова, Д.В.Василькова, А.Н.Гаврилова, А.М.Дальского, Н.Б.Демкина, В.С.Корсакова, ААМаталина, А.Н.Овсеенко, А.С.Проникова, Д.Н.Решетова, Э.В.Рыжова, А.Г.Суслова, А.И.Якушева, А.Б. Яхина и др.

Основными показателями качества при механической обработк заготовок являются: точность выполнения размеров, формы и взаимного расположения поверхностей; стабильность размерных характеристик деталей в партии; шероховатость обработанных поверхностей, напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя после обработки. Последнее особенно важно для оболочек различного типа и элементов трубо-

проводов. Особое влияние на качество и эксплуатационную надежность изделий оболочечного типа оказывают остаточные напряжения, которые приводят к остаточным деформациям, коррозионному растрескиванию и разрушению.

Помимо изготовления изделий существует проблема их монтажа и эксплуатации. Здесь критическими являются технологии сварки и подребрения тонкостенных изделий, особенно таких как полости, трубы, резервуары, сосуды. Большой вклад в науку и практику обеспечения качества сварных изделий ответственного назначения внесен отечественными и зарубежными учеными, такими как Н.П.Алешин, Ю.М.Белов, В.А.Валетов, Д.В.Васильков, А.А. Дубов, А.Н.Овсеенко, А.И.Потапов, Д.Н.Решетов, Смирнов В.В., О.И.Стеклов, А.Г.Суслов и др.

Операция сварки представляет собой сложный локальный термометаллургический процесс. В результате такого воздействия в сварных соединениях происходит локальное перераспределение остаточных напряжений с формированием зоны термического влияния. Указанные зоны являются источниками активного корозионного растрескивания, что существенным образом снижает ресурсные характеристики изделий в эксплуатации.

Учитывая то, что разрушение изделий в зонах термовлияния может привести к большим техногенным катастрофам, к создаваемым и действующим энергетическим объектам предъявляются повышенные требования по наработке на отказ. При этом к действующим объектам сохраняются высокие требования по подтверждению остаточного ресурса.

Тенденция перехода от традиционной дефектоскопии к технической диагностике с применением комплексного подхода, включающего: определение параметров дефектов, оценку распределения остаточных напряжений, определение фактических структурно-механических характеристик металла сдерживается, в первую очередь, низкой эффективностью существующих методов и средств контроля напряженно-деформированного состояния оборудования.

При изучении задачи управления остаточными деформациями тонкостенных изделий оболочечного типа после операций сварки и механической обработки установлено, что наиболее коварной причиной внезапных разрушений объектов являются внутренние остаточные механические напряжения, возникающие в детали, сварном соединении или конструкции в целом. Эти напряжения в сталях могут достигать предела текучести, а в алюминиевых и титановых сплавах 70-80% предела текучести и часто оказываются более опасными в отношении снижения прочности, чем некоторые типы дефектов.

Таким образом, прочность, надежность и степень пригодности сварных конструкций для использования по эксплуатационному назначению во многом определяются наличием, характером и величиной рабочих и фактических внутренних напряжений, во многом, но далеко не во всем, и виной тому деградация материала в процессе длительной эксплуатации. Эта задача стала главной не только в изучении и оценке статической прочности объектов, она становится решающей в изучении и оценке усталостной прочности в связи с локальным характером усталостного разрушения и сильной его зависимости от фактического напряженно-деформированного состояния материала.

На основании выполненного анализа состояния проблемы и в соответствии с целью работы поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать модель формообразования тонкостенного изделия оболочечного типа с подребрениями для решения задач прогнозирования качества обработки.

2. Выполнить имитационное и натурное моделирование формообразования изделий оболочечного типа при обработке лезвийным инструментом, сварке и поверхностном упрочнении с целью обоснования правильности исходных положений.

3. Получить технологические режимы локализации внутренних дефектов на различных операциях изготовления и ремонта изделий оболочечного типа.

4. Разработать технологические рекомендации по повышению эксплуатационной надежности при изготовлении и ремонте тонкостенных изделий оболочечного типа с подребрениями на основе применения технологических методов локализации внутренних дефектов.

Во второй главе выполнена разработка дискретной модели тонкостенного изделия оболочечного типа для решения задач прогнозирования качества при механической обработке и сварке. Особенностью объекта исследования является возможность наличия наружных или внутренних подребрений, повышающих упругие характеристики изделия в целом.

Современная вычислительная техника имеет богатейший вычислительный и математический аппарат, позволяющий исследовать упругие и динамические характеристики сложных, в том числе континуальных систем. Опыт расчетов показал эффективность таких интегрированных систем, как COSMOS, NOSTRAN, ANSYS и др. Вместе с тем сложность задания исходной информации об указанных выше изделиях, особенности взаимного расположения их поверхностей и элементов подребрений требуют специфического

применения рассмотренных интегрированных систем.

Специфика объекта исследования - тонкостенного изделия оболочечного типа - требует особого подхода к выбору вида и структуры дискретной (конечноэлементной) модели. При ее рассмотрении применительно к механической обработке необходимо ввести основные классификационные признаки применимости различных схем метода конечных элементов (МКЭ). Они определяются, в основном, особенностями упругих характеристик рассматриваемых изделий. При рассмотрении конечноэлементных моделей введены их основные классификационные признаки:

1. Вид - основной признак классификации, определяющий принципиальную схему построения модели. По виду модели и их составные элементы разделяются на стержневые, оболочечные, объемные.

2. Структура - особенности формирования модели в принятой трехмерной размерности. Для стержневых моделей принято два структурных признака: прямой стержень, кривой стержень. Оболочечные модели разделяются на симметричные и несимметричные с открытым и закрытым профилем.

3. Элементы - наименьшие структурные единицы модели, которые напрямую связаны с рассмотренными выше классификационными признаками.

В качестве примера можно рассмотреть модель резервуара, выполненного в виде глухого стакана диаметром 4500 мм, длиной 5400 мм и средней толщиной 10 мм. Указанная модель представляет собой совокупность цилиндра и фланца. Дискретизация цилиндрической части осуществляется путем пересечения ее на равных расстояниях поперечными плоскостями перпендикулярно продольной оси корпуса и продольными плоскостями, проходящими через продольную ось корпуса. Дискретизация фланца осуществляется путем пересечения его поверхности на равных расстояниях центральными окружностями и радиальными прямыми. Построенная таким образом дискретная модель имеет от 43 до 78 узлов. Минимальное число обобщенных координат такой модели соответственно равно пэ=258. Плотность разбивки может быть увеличена.

По той же схеме рассматривается модель цельного статора генератора, выполненного в виде тонкостенного цилиндра с диаметральными подребрениями с двух сторон диаметром 3600 мм, длиной 5200 мм и средней толщиной 30 мм, Общее число узлов модели 60. Число обобщенных координат соответственно равно 360.

Упругие, инерционные и диссипативные характеристики дискретной модели определяются матрицами жесткости, инерции и диссипации, которые определяются по принятым для современных

интегрированных систем правилам. Указанные матрицы имеют ленточную структуру. Ширина ленты в значительной степени зависит от нумерации узлов модули. Целесообразно придерживаться правила нумерации, при котором разность между номерами узлов в элементе стремится к минимуму. Как правило, эта функция выполняется интегрированной системой самостоятельно. Они являются квадратными и симметричной относительно главной диагонали. Особенностью матрицы жесткости является то, что она имеет максимальные элементы на главной диагонали. Такое построение глобальной матрицы жесткости позволяет достаточно просто осуществлять ее тре-амбуляцию при учете граничных условий.

Что касается упруго-диссипативных и инерционных характеристик конечных элементов модели, то они имеют общие правила построения при наличии особенностей, определяющих соотношение между кинематическими и силовыми характеристиками движений.

Предложенная схема дискретизации позволяет построить модели тонкостенных изделий оболочечного типа с подребрениями в достаточно широком представительстве применительно к деталям энергетических машин и магистральных транспортных систем. Выбранные правила построения моделей позволяют сформировать их на основе принятых на предприятиях способов задания геометрии, реализуемых набором поперечных или диаметральных сечений, заданных точечным или радиусографическим способом. Простота схем разбивки континуальных моделей на конечные элементы позволяет максимально сократить их размерность, что является особенно важным при динамических расчетах и при выполнении процедур модификации модели с учетом снятого в процессе механической обработки припуска.

Основными видами технологических воздействий при обработке изделий оболочечного типа являются механическая обработка фрезерованием и точением, а также сварка.

Рассмотрим наиболее общий случай механической обработки - обработку фрезерованием. Она, как правило, реализуется строчечным способом концевыми и торцовыми фрезами. При взаимодействии режущего инструмента и заготовки возникают силы резания, которые определяют упругие характеристики технологической системы.

Рассмотрим кинематические характеристики процесса контурного фрезерования криволинейной поверхности торцовой фрезой (рис.1). При взаимодействии инструмента и заготовки образуется пятно контакта, по которому для данного положения фрезы можно

определить ширину Ь - и толщину а| резания для I - го зуба. Они определяются соотношениями

где Б2 - рабочая подача на зуб фрезы; ср, - угол поворота 1-го зуба фрезы; Я- радиус фрезы; р - угол наклона зубьев фрезы: I - глубина резания; - угол между нормалью к поверхности заготовки и осью фрезы.

Рис.1. Кинематика процесса резания при контурном фрезеровании

Вектор силы резания р действующей на 1-й зуб фрезы, имеет

компоненты Р; = {Рт;, ,Р0С;}Т (рис.1). Соотношение между указанными компонентами определяется выражениями

где р' - удельная сила резания; Б| - площадь среза для 1-го зуба; f -коэффициент трения между передней поверхностью зуба фрезы и стружкой.

В дискретной модели вектор силы резания приводится к ее узлам. Можно рассмотреть случай, когда она будет действовать внутри отдельного элемента. Используя формулы математических преобразований, действие силы может быть эквивалентно распределено между узлами рассматриваемого элемента. Такая модель не в

полной мере будет соответствовать исходным условиям формообразования. Поэтому целесообразно определять деформации от действия сил резания в дискретной постановке, т.е. только в узлах дискретной модели. Данный подход не дает возможности исследовать каждую точку модели, но зато обеспечивает соответствие исходным условиям формообразования. С учетом числа одновременно режущих зубьев фрезы вектор узловых усилий, действующий в км узле модели, в общей системе координат будет иметь вид

(3)

где L - матрица направляющих косинусов.

Вектор внешних сил дискретной модели действия силы резания может быть получен с учетом выражения (3)

Обоснованием принятия моментной схемы действия остаточных напряжений является то, что действие остаточных напряжений растяжения и сжатия проявляется противоположным образом (рис.2). Здесь под деформирующей способностью I понимается интеграл эпюры остаточных напряжений по их залегания. Напряжения сжатия приводят к уплотнению кристаллической решетки в металле поверхностного слоя, что проявляется через выпуклое расположение образца (рис.2,а). Данные напряжения являются благоприятными для эксплуатационных свойств изделия, так как консервируют поверхностные дефекты (рис.З.а). Напряжения растяжения приводят к разрежению кристаллической решетки в металле поверхностного слоя, что проявляется через вогнутое расположение образца (рис.2,6). Данные напряжения являются неблагоприятными для эксплуатационных свойств изделия, так как вскрывает поверхностные дефекты (рис.3,б).

Рис.2. Действие деформирующей способности технологических остаточных напряжений

Если в первом случае происходит поверхностное уплотнение (сжатие) в металле поверхностного слоя (рис.2,а), то во втором случае происходит поверхностное натяжение (растяжение) в металле поверхностного слоя (рис.2,6).

Рис.3. Эффект консервирования дефекта при напряжениях сжатия (а) и вскрытия дефекта при напряжениях растяжения (б)

а б

Указанное выше проявление действия деформирующей способности технологических остаточных напряжений можно показать на простом примере. Рассмотрим простую прямоугольную балку длиной I, шириной Ь и толщиной 1 заделанную с одной стороны (рис.4). Балка имеет верхнюю (внутреннюю) и нижнюю (наружную) поверхности прямоугольной формы. Со стороны верхней и нижней поверхностей на балку действует распределенная поверхностная нагрузка, интенсивность которой равна деформирующей способности технологических остаточных напряжений: 1В - со стороны верхней поверхности и 1Н - со стороны нижней поверхности.

Рис.4. Формирование моментной нагрузки на противоположно расположенных поверхностях балки

Интенсивность моментной нагрузки от действия деформирующей способности технологических остаточных напряжений со стороны верхней и нижней поверхностей определяется выражениями

Дтв =^-ЬЬДП8; Дтн =^-ЬЬДПн, (4)

где 11м - максимальная глубина залегания остаточных напряжений. Ь, 1 - ширина и толщина балки.

Действие поверхностных сил с учетом (4) может быть определено из соотношения

От действия поверхностных сил возникают остаточные деформации или коробление балки. Об этом свидетельствует величина и направление вертикального смещения в точке А (рис.4), расположенной на свободном конце балки. В таблице 1 приведены варианты решения данной задачи.

Таблица 1

№ 1вИ„ I. 1„ Смещение (-)А

1 >0 >0 >0 А

2 >0 >0 <0 И

3 >0 <0 >0 11

4 >0 <0 <0 и

5 = 0 >0 >0 -

6 = 0 >0 <0 й

7 = 0 <0 >0 и

8 = 0 <0 <0 -

9 <0 >0 >0

10 <0 >0 <0 и

11 <0 <0 >0 а

12 <0 <0 <0 и

Из таблицы 1 видно, что при решении задачи об остаточных деформациях маложесткого изделия существует большое множество вариантов решения в зависимости от уровня остаточных напряжений. Здесь наиболее эффективным является решение, при котором остаточные деформации отсутствуют. Если в рассматриваемом примере оно получается достаточно просто, то в реальных ситуациях данное решение необходимо получать расчетным путем.

Важным упрощением в решении задачи об остаточных деформациях является возможность ортогонализации действия поверхностных сил. Дополнительным обоснованием правомерности данного подхода является то, что действием поверхностных сил является момент равнодействующей пары, которая имеет составляющие относительно осей координат, т.е. допустима суперпозиция действий относительно каждой из указанных осей. Данный подход позволяет рассмотреть остаточные деформации в отдельном узле и в дискретной модели в целом.

Полученные схемные решения могут быть применены при определении остаточных деформаций от действия внутренних сварочных напряжений. Здесь можно применить методологию, реали-

зованную при рассмотрении балки на рис.4. Рассмотрим балку со сварным соединением (рис.5).

Рис.5. Схема учета действия остаточных напряжений в сварном соединении

Выделим три характерные зоны в сварном соединении:

- зона длиной £ - сварной шов;

- зона длиной ¿^ - первая зона термического влияния;

- зона длиной ¿2 - вторая зона термического влияния.

Для каждой из указанных зон со стороны верхней и нижней частей балки экспериментально неразрушающим методом определяются остаточные напряжения с построением эпюр и определением деформирующей способности: 1ВО, 1В1, 1В2, 1Н0, 1Н1, 1Н2. Тогда момент от действия остаточных напряжений в сварном соединении будет определяться выражением

тХ=тХ0+тХ1+тХ2;

1 -ььг(1во-1

(6)

(7)

(8)

(9)

где ИМ0, ИМ1, ИМ2 - глубина залегания остаточных напряжений в зонах 0, 1, 2; Ь, И — ширина и толщина балки.

Выражение (6) приводится к узлам дискретной модели по аналогии с выражением (3).

Для решения задачи обеспечения качества при изготовлении маложестких изделий оболочечного типа на основании выполненных выше преобразований сформулировано две задачи:

1. Расчет деформаций от действия сил резания с определением режимов резания, обеспечивающих точность размеров, формы и взаимного расположения поверхностей обрабатываемого изделия в пределах поля допуска.

2. Расчет остаточных деформаций обработанного изделия от действия деформирующей способности технологических остаточных напряжений.

В третьей главе для проверки работоспособности разработанных моделей был проведен сопоставительный анализ результатов имитационного и натурного моделирования упругих деформаций тонкостенных издели. Для сопоставления была выбрана прямая тонкостенная широкополая балка. В центральной части балки прикладывалась вертикально направленная сила Р с эксцентриситетом в поперечном сечении е. Сила изменялась в пределах Р= 4,15 ... 27,0 КН. Эксцентриситет действия силы по отношению к центру изгиба с изменялся в пределах е= 0 ... 70 мм. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных производилось в контрольных сечениях I, II, III, IV. В таблицах 2, 3 представлены отдельные сопоставительные результаты аналитического решения, эксперимента и расчета по дискретной модели.

Таблица 2

Вертикальные прогибы балки, мм_

№ Метод получения ре- Контрольные сечения

пп зультата I | II III | IV

Р 11,1 КН

1 Аналитический расчет 0,74 1,85 1,85 0,74

2 Расчет МКЭ 0,79 1,89 1,89 0,79

3 Эксперимент 0,86 1,87 1,82 0,82

Таблица 3

Углы закручивания балки, х10-2 рад_

№ пп Метод получения результата Контрольные сечения

I 1 ..... 1 IV

Р = 11,1 КН

1 Аналитический расчет 0,8 2,0 2,0 0,8

2 Расчет МКЭ 0,77 1,95 1,95 0,77

3 Эксперимент 0,74 1,92 1,85 0,72

Что касается сопоставления аналитического решения и конеч-ноэлементных расчетов, то последняя более корректно учитывает стесненность кручения, так как дает лучшее приближение к экспериментальным данным. Отклонения между расчетными и экспериментальными данными не превысили по линейным перемещениям 11% и по углу поворота 8%.

При исследовании качества поверхностного слоя обрабатываемых изделий были применены современные средства измерения микрогеометрии поверхности ИВК «Профиль» и технологических остаточных напряжений ИВК «СИТОН».

Был выполнен комплекс экспериментальных исследований по определению микрогеометрии поверхности при различных режимах обработки, которые позволили оценить особенности формы и размерные характеристики шероховатости функциональных поверхностей.

Для определения остаточных напряжений были выполнены необходимые калибровки, которые позволили осуществить настройку на исследуемые материалы и технологические воздействия. Измерение остаточных напряжений металла поверхностного слоя было осуществлено на 9 рабочих лопатках 5 ступени ЦНД из сплава ВТ6. Результаты измерений показали следующие количественные характеристики (см.табл. 4).

Таблица 4

Сводные результаты измерения технологических остаточных

напряжений

Вид обработки Поверхностные напряжения стп, МПа Подповерхностные напряжения стпп, МПа Интеграл напряжений 1(1), Н/мм

Фрезерование -320+40 +80±35 -140

Ленточное шлифование -100±30 +45+25 -30

Была также рассмотрена задача об остаточных деформациях прямой балки прямоугольного поперечного сечения, выполненной из сплава ВТ6 со следующими размерными характеристиками: длина 1_= 350 мм, ширина Ь= 50 мм, толщина И= 10 мм. Нижняя поверхность балки получена торцовым фрезерованием, а верхняя -торцовым фрезерованием и плоским ленточным шлифованием. Сопоставительные результаты расчетных и экспериментальных исследований представлены в табл. 5. Они показали удовлетворительную сходимость.

Таблица 5

Расчетные и экспериментальные данные по остаточной

дефо рмации балки

№ Расстояние от заделки Расчет, мм Эксперим, мм Откл., %

100 0,09 0,10 10

200 0,30 0,34 12

300 0,91 1,03 12

В четвертой главе представлена реализация схемы пассивного управления механической обработкой тонкостенных маложестких изделий на основе метода программной модификации, которая предусматриваем три этапа: разработка технологического процесса механической обработки, разработка управляющих программ, обработка изделия на станке.

На первом этапе определяются последовательность и условия обработки. В зависимости от вида технологической оснастки определяются условия ограничений, накладываемых на изделие при обработке. Осуществляется выбор режущего инструмента и интервалов варьирования режимов резания. На втором этапе перед разработкой управляющей программы включается программа расчета режимов резания в зависимости от положения инструмента по отношению к поверхности изделия. При разработке управляющей программы указанные режимы подключаются в соответствующих кадрах. Управляющая программа поступает на станок. На третьем этапе реализуется схема пассивного управления, которая предусматривает изменение режимов резания в процессе обработки без участия оператора и дополнительных устройств адаптивного управления. Такая схема обработки позволяет исключить систематические погрешности, вызванные конкретными условиями формообразования. Данная схема позволяет повысить производительность обработки на 20 - 40 процентов при выполнении требований по качеству поверхностного слоя.

При изготовлении маложестких деталей авиационных двигателей, таких как турбинные лопатки, покрывные диски и др., возникает проблема обеспечения точности готовых изделий. Она связана с тем, что в процессе обработки при снятии стружки высвобождаются внутренние напряжения и наводятся технологические остаточные напряжения в металле поверхностного слоя. Указанное приводит к остаточным деформациям, что приводит к большому проценту брака. Решением данной проблемы является пооперационный контроль неразрушающим методом технологической наследственности по остаточным напряжениям металла поверхностного слоя деталей в процессе их изготовления, который позволил выявить недостатки технологии изготовления деталей и повысить их ресурсные характеристики.

Результаты усталостных испытаний образцов со сварным соединением показали, что неразрушающий метод АФЧХ-тестирования, реализованный в аппаратуре СИТОН-АРМ, позволил предсказать место и время разрушения образца. Ограничение остаточного ресурса образца в процессе испытаний проявилось после 400000 циклов нагружения через активную релаксацию эпюры оста-

точных напряжений за 34800 циклов до разрушения. При измерении остаточных напряжений через каждые 100000 циклов нагружения эпюра практически не менялась, что свидетельствовало о целостности образца, подтверждении его ресурсных характеристик и возможности продолжения испытаний до следующего измерения. Выполненные ресурсные испытания позволили создать необходимые методики продления остаточного ресурса тонкостенных изделий оболочечного типа со сварными соединениями не только после изготовления, но и после ремонта.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана модель формообразования маложесткого тонкостенного изделия оболочечного типа на основе предложенной системы классификации дискретных моделей для решения задач прогнозирования качества обработки с учетом остаточных деформаций.

2. Предложены дискретные модели, позволяющие прогнозировать остаточные деформации обработанного изделия посредством учета технологических остаточных напряжений в виде распределенных моментных нагрузок.

3. Получены силовые характеристики, позволяющие учесть действие остаточных напряжений в сварных соединениях.

4. Выполнен комплекс исследований по имитационному и натурному моделированию формообразования изделий оболочечного типа при обработке с целью обоснования правильности исходных положений и подтверждения адекватности предложенных моделей.

5. Постановка и решение задач управления формообразованием на этапе технологической подготовки производства дает снижение трудозатрат на 20 ... 40% без дополнительных вложений в оборудование и технологическую оснастку.

6. Высокая эффективность изготовления изделий исследуемого класса достигается в результате учета технологической наследственности в процессе их изготовления.

7. Установлено, что при решении задач ресурсообеспечения к числу слабых мест маложесткого изделия относятся сварные соединения. Обоснование ресурсных характеристик осуществляется путем проведения усталостных испытаний специальных образцов из исследуемых материалов.

Содержание диссертационной работы опубликовано в 3 печатных работах:

1. Васильков Д.В, Лыченков А.А. Повышение эксплуатационной надежности маложестких элементов конструкций на основе оптимизационного проектирования при металлообработке/ Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. Вып. 32.- СПб.: СЗТУ, 2004.

2. Васильков Д В., Лыченков А.А., Плуговой В.И. Динамическая паспортизация технологического оборудования // Инструмент и технологии, №21-22, 2004

3. Васильков Д.В., Лыченков А.А. Комплексное исследование состояния поверхностного слоя маложестких изделий при механической обработке / Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования. Материалы X Всероссийского научно-практического семинара. СПб.: ЦКТИ, 2004.

Типография "Ступени"

СПб, Менделеевская Линия В.О, д.5.

зак._тираж 100 экз. объем 1 п.л.