автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Прогнозирование коробления деталей ГТД после обработки поверхности на основе исследования остаточного напряженного состояния материала

Р Г Б ОД

5 На правах рукописи

БУКАТЫЙ СТАНИСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОРОБЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА

05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов, 01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Рыбинск - 1996

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

академик АПК РФ Антонов Е.А.

доктор технических наук, профессор,

лауреат премии Совета Министров СССР Овсеенко А.Н.

доктор технических наук, профессор Павлов В. Ф.

Ведущая организаця: АО "Рыбинское конструкторское бюро

моторостроения"

Защита состоится " 11 " декабря 1996 г. в 12 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 064.42.01 в Рыбинской госу дарственной авиационной технологической академии по адресу: 152934 г.Рыбинск Ярославской области, ул.Пушкина, 53, ауд.Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии

Автореферат разослан ". _1996 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент , " ' Конюхов Б.М.

¿У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение качества выпускаемой продукции,: ее надежности и долговечности относится к важнейшим задачам машиностроения. Поэтому в настоящее время широко используется упрочнение деталей машин поверхностным пластическим деформированием (ППД). Однако, возникающие после ППД остаточные напряжения приводят к нежелательным, а в ряде случаев к недопустимым изменениям размеров и формы (короблению) деталей. Аналогичное явление наблюдается и после других видов обработки: точения, фрезерования, шлифования, поверхностной закалки.

Коробление значительно усложняет технологический процесс и приводит к увеличению трудоёмкости изготовления деталей, а в ряде случаев и к неисправимому браку. В значительной мере точность изготовления деталей зависит и от размерной стабильности материала. Практика показывает, что многие детали ГТД претерпевают значительные деформации не только в процессе изготовления, но и при хранении и эксплуатации, что приводит к осложнениям при сборке изделий, а также к изменению эксплуатационных характеристик двигателя. Проблема обеспечения точности особенно важна в энергетическом и авиационном машиностроении, где преобладают тонкостенные маложёсткие детали.

Один из путей решения проблемы коробления заключается в управлении технологическими процессами изготовления деталей машин. Расчетио-экспериментальные методы прогнозирования коробления позволяют заранее сравнить возможные деформации с требуемой точностью и в случае несоответствия наметить необходимые мероприятия.

Цель диссертации. Разработка научных основ расчётно-экспери-ментальных методов прогнозирования корбления деталей ГТД после обработки поверхности и применения этих методов для совершенствования технологических процессов с целью повышения точности ответственных деталей.

Научная новизна. В работе впервые разработаны и обоснованы следующие результаты.

1. Общий расчётный метод прогнозирования коробления деталей произвольной формы после обработки поверхности. Метод основан на рассмотрении сил взаимодействия детали с её тонким деформированным поверхностным слоем, в котором в результате обработки возникают остаточные напряжения.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование эффекта нелинейности температурных характеристик

(ЭНТХ), который заключается в существенном влиянии статических ис кажений кристаллической решётки материала на динамические искаже ния. У материалов с повышенной концентрацией дефектов и внутренни напряжений эффект проявляется в изменении величин модуля упругс сти, температурного коэффициента линейного расширения и плотност: материала, процесс теплового расширения становится необратимым, температурные зависимости коэффициента линейного расширения, мс дуля упругости, плотности материала и резонансной частоты колебани; становятся существенно нелинейными и имеют неодинаковые значени: при нагревании и охлаждении. На основе ЭНТХ разработан неразру шающий метод контроля размерной стабильности материалов и прогно зирования коробления деталей.

3. На основе общего метода разработана теория коробления детале! типа стержня, цилиндра, кольца и диска, учитывающая наряду с осевы ми окружные и касательные остаточные напряжения.

4. Разработаны основные принципы нормирования остаточных нап ряжений в поверхностном слое деталей по допускаемым деформациям а также в заготовках-трубах по деформациям вырезаемых колец.

5. Разработаны методические основы проведения высокоточных ди латометрических исследований деталей в области малых воздействий совершенствования технологических процессов и определения режимов обработки с целью повышения размерной стабильности и уменьшенш коробления деталей.

Практическая ценность и реализация. Разработаны систем; контроля, методика тарировки средств контроля и методика обработ ки результатов экспериментов в условиях ограниченной информации позволяющие проводить высокоточные исследования деталей в обласи малых воздействий и с достаточной степенью надёжности осуществляв контроль размерной стабильности материалов и прогнозировать коробление деталей. Полученные в работе результаты позволяют решат! следующие практические задачи:

— неразрушающего контроля остаточного напряжённого состояния заготовок высокоточных деталей;

— совершенствования технологии, определения режимов и создания способов обработки, обеспечивающих устранение недопустимых деформаций деталей;

— нормирование по допускаемым деформациям технологических остаточных напряжений в поверхностном слое высокоточных деталей послс различных видов обработки;

— нормирования остаточного напряжённого состояния в заготовках высокоточных деталей;

— разработки нормативов для определения межоперационных припусков с учётом коробления деталей в процессе обработки;

— осуществления контроля качества обработки ППД неразрушающим способом.

Методики расчёта деформаций и нормирования остаточных напряжений в заготовках высокоточных деталей внедрены во Всесоюзном научно-исследовательском конструкторско-технологическом институте подшипниковой промышленности (АО "ВНИПП") и на Куйбышевском агрегатном производственном объединении (Самарском АО "Авиаагрегат" ). Способ устранения коробления и способ упрочнения лопаток компрессора ГТД — на Куйбышевском моторном заводе (Самарском научно-производственном объединении "Труд"). Методика определения остаточных напряжений в кольцах подшипников — на Четвёртом Государственном дважды Ордена Ленина подшипниковом заводе (Самарском АО "Шар" ). Неразрушающий метод контроля размерной стабильности и прогнозирования коробления деталей, методики совершенствования технологических процессов и определения режимов обработки апробированы в производственных условиях на Рыбинском производственном объединении моторостроения (Рыбинском АО "Рыбинские моторы" ).,

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на н.-т. семинарах Рыбинской государственной авиационной технологической академии и Самарского аэрокосмического университета им. академика С.П.Королёва, на 9 зональных и областных конференциях, на 20 всесоюзных и российских н.-т. конференциях, в числе которых: "Повышение эффективности и совершенствование компрессорных машин и установок" (Москва, 1978г.), "Конструкционная прочность двигателей" (Куйбышев, 1978, 1988, 1991 г.г.), "Теплофизика технологических процессов" (Ташкент, 1984г., Тольятти, 1988г., Рыбинск, 1996г.), XV. Республиканский семинар ИНДМАШ АН БССР (Минск, 1988 г.) IV Всесоюзное совещание "Методы и приборы для точных дилатометрических исследований материалов в широком диапазоне температур" (Кириши, Ленингр. обл., 1988г.), "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля" (Могилёв, 1989г.), "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Свердловск, 1990 г.) . а также на международных конференциях: 5 Международной научно-технической конференции "Rationalisierung im Maschinenbau" (Zwickau, DDR, 1985 г.), на Общеевропейской конференции "Residual Stresses" (Frankfurt A.M.,

Germany, 1992) и на Первой международной конференции " Актуальны! проблемы прочности" (Новгород, 1994г.).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликова ны в монографии " Изменение размеров и формы деталей после обра ботки поверхности", в 60 печатных работах, в числе которых 20 ста тей, 1 Методическое руководство к выполнению лабораторной работь " Определение остаточных напряжений в кольцах подшипников" и ' описаний изобретений, на которые получены авторские свидетельства.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения девяти разделов, заключения, списка литературы (233 наименования в том числе 20 иностранных), приложения, содержит 265 страниц тек ста, в том числе 106 рисунков и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ содержит обоснование актуальности рассматриваемо! проблемы и перечень положений, которые выносятся на защиту.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ показал, что коробление связано с изменением остаточногс напряжённого состояния деталей как непосредственно в процессе изготовления и обработки деталей, так и после изготовления с течением времени вследствие размерной нестабильности материала. Поэтому методы прогнозирования коробления можно разделить на два направления прогнозирование расчётным путем по известным остаточным напряжениям, которые обычно возникают в деталях после обработки поверхности, и прогнозирование неразрушающими методами, когда остаточнос напряжённое состояние деталей или заготовок неизвестно и требуете? провести контроль и определить склонность деталей к короблению.

По первому направлению рассмотрены работы Исаева А.И., Овсеен ко А.Н., Смирнова В.А., Промптова А.И., Картышева Б.Н., Касаткина A.C., Куперштока С.Н., Кузюшина В.К., Замащикова Ю.И., Леоно ва В. А. и других отечественных и зарубежных учёных. Установлено, чте существует два подхода в прогнозировании коробления, основанных не использовании остаточных и первоначальных напряжений. Но в обою случаях работы носят частный характер, справедливый для случая одноосного напряжённого состояния или для деталей простейшей формы отсутствуют сведения о влиянии на деформации деталей остаточных касательных напряжений. Имеющиеся решения для лопаток турбомашш не учитывают ряд важных факторов и в отдельных случаях не подтвер-

ждаются экспериментальными данными.

Во втором направлении анализ работ Хенкина М.П., Локшина И.Х., Сагалевича В.М., Савельева В.Ф., Новожилова В.В., Кадашевича Ю.И., Борздыки A.M., Гецова JI.B., Одинга И.А., Ивановой B.C., РахманаБ.М., Рахштадта А.Г., Мартина Дж., Доэрти Р., Марингера P.E., Ингрема А.Г. и других учёных показал, что несмотря на высокий уровень исследований природы размерной нестабильности материалов, её прогнозирование неразрушающими методами разработано недостаточно.

Между тем вопросы обеспечения геометрической точности деталей в авиационном и точном машиностроении, создания новых технологий, обеспечивающих, наряду с высоким качеством поверхности, устранение недопустимых деформаций, становятся всё более актуальными. Поэтому в диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Разработать общий метод определения деформаций деталей, связанных с образованием в процессе обработки в тонком поверхностном слое произвольных по величине и знаку остаточных напряжений.

2. На основе общего метода разработать основы теории прогнозирования коробления деталей типа стержня, цилиндра, кольца и диска.

3. Разработать неразрушающий метод контроля размерной стабильности материалов и деталей на основе теплового воздействия.

4. Разработатать методические основы применения расчётно-экспе-риментальных методов прогнозирования коробления деталей для решения задач практики:

— разработки, исследования и совершенствования различных технологических процессов с целью повышения геометрической точности ответственных деталей ГТД;

— определения режимов стабилизации заготовок и деталей;

— определения и нормирования остаточных напряжений в деталях.

2. ОБЩИЙ МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КОРОБЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

В процессе механической обработки детали в её тонком поверхностном слое возникают необратимые первоначальные деформации, в результате которых в детали возникают остаточные напряжения. Образование остаточных напряжений сопровождается общей упругой деформацией Детали, заключающейся в изменении её размеров и формы. В работе предложено определять эти деформации на основе сил взаимодействия поверхностного слоя а(а, ß), в котором действуют "активные" остаточные напряжения cra(a,ß,n), erß(a,ß,n), raß(a,ß,n), с остальным объёмом детали. Здесь а , ß - ортогональные криволинейные координаты на по-

верхности, п - расстояние от поверхности до текущего слоя. "Указанны эквивалентные нагрузки следует искать на основе условий равновеси: отделяемого поверхностного слоя.

Рассматривая равновесие элемента слоя (рис. 1), после ряда упроще ний, обусловленных малой толщиной слоя а, геометрией деталей и вы бором направления координат а и /3, получим следующие выраженш для сил, действующих на деталь без слоя а :

Ra Я0

а = + (1)

"а А да ^ В д/3 ' ^

U - 1I 1дТв° Тм' № ЧР - В др А да ,

мм

Рис.1 где Ra, R;j, Rag - радиусы нормаль-

ной кривизны и кручение поверхности детали; А, В -параметры Ляме;

а • а а

Na = I иа dn, N0 = J ар dn, Та0 = Тра = J та/з dn. (2)

О 0 0

Необходимые для определения сил (2) активные остаточные напряжения в поверхностном слое а, которые в дальнейшем будем называть просто остаточными напряжениями, определяют с помощью образцов-свидетелей или образцов, вырезанных из детали. На практике толщина слоя а часто настолько мала, что силы (1) можно считать приложенными к исходной поверхности детали. Если до обработки в поверхностном слое детали существовали остаточные напряжения, то при вычислении усилий (2) эти напряжения нужно вычесть из остаточных напряжений, образовавшихся после обработки.

Данный метод применим также для определения деформаций детали, возникающих после удаления технологического припуска. Вместе с припуском удаляются и нагрузки (1), поэтому их нужно взять с обратным знаком. Кроме того, к найденным деформациям нужно добавить деформации, связанные с остаточными напряжениями в поверхностном слое детали, образующимися в процессе удаления припуска.

В работе рассмотрен также подход, основанный на использовании первоначальных напряжений. На основе общих представлений о технологических первоначальных деформациях и напряжениях, возникающих в процессе обработки, показано, что прогнозирование коробления на основе остаточных напряжений и первоначальных деформаций или

напряжений приводит к одинаковым результатам. При этом установлено, что применение метода последовательных приближений позволяет определять по известным остаточным напряжениям при определённых условиях технологические первоначальные деформации и напряжения в поверхностном слое образцов и деталей произвольной формы.

3. КОРОБЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА "СТЕРЖЕНЬ"

К этому типу относятся самые многочисленные детали ГТД - лопатки компрессора и турбины. На основе общего метода для консольно закреплённого стержня с произвольным поперечным сечением получены выражения для деформаций удлинения ДI, прогибов свободного конца /г, и угла закручивания <р :

/ ^ а I __а

ДI = — § У<СГ^ — ЦОг)йги18йг, /я = / рт - / / х(а г - ¡¿^¿мЗэ/Зг,

О й О О Ь1У 5 0 . . ■

/ п _ л а / 2 а (о]

/у — / рт / /у{а, - цо^пИвйг, ^т„гйпйшйх +.

О Ъ1х 5 0 0 и1к О О

где г и в - координаты вдоль продольной оси и контура поперечного

сечения стержня; Р и и - площадь и секториальная координата контура поперечного сечения стержня; 1Х, 1у, /д. - геометрические характеристики поперечного сечения; ц - коэффициент Пуассона; - угол закручивания, определяемый решением задачи Альманзи.

При рассмотрении тонкостенных стержней установлено, что наряду с деформациями (3) при неравномерной обработке они испытывают кручение от бимоментов

а а

Во = £и> У (а2 - цаа) ¿п ¿в = 5и J(аг - //<74) с1п . (4)

5 0 О

• На основе выражений (3) и (4) сделан анализ деформаций естественно закрученных стержней, к которым относятся лопатки ГТД. При этом, в отличие от известных работ, уточнены формулы для прогибов лопаток, а также получены выражения для дополнительного изменения угла закрутки, обусловленного моментом

а

Мк<? — / (СТС — ц<т ,)г зт(3 ¿Р и £ вг2 — цог) е!псЬ, (5)

5 о

роль которого существенна даже для слабозакрученных стержней. Здесь - площадь ортогонального сечения слоя а; г - расстояние от оси бруса до текущей точки контура поперечного сечения; (3 = агс1д(вг) - углы наклона винтовых линий ( к оси Z , в - относительный угол закрутки стеряшя.

Кроме этого, при неодинаковой обработке спинки и корыта компрессорных лопаток происходит изменение кривизны их профиля, которое приводит к дополнительному закручиванию бруса ¡рд. На основе геометрического представления таких лопаток в виде полосы, вырезанной из цилиндра радиуса К системой взаимно ортогональных винтовых линий 7 и г (рис.2), получено следующее выражение:

= (6)

где 6 - угол между касательной к ли-

Рис.2 нии 7 и осью цилиндра. Здесь подин-

тегральное выражение (изменение кривизны профиля лопатки) определяется в зависимости от остаточных напряжений в слое а.

Экспериментальные исследования деформаций лопаток 2-й ступени направляющего аппарата компрессора ГТД после различных вариантов гидродробеструйного упрочнения полностью подтверждают теоретические положения.

4. КОРОБЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА "ЦИЛИНДР"

К этой группе деталей относятся толстостенные и тонкостенные валы компрессора и турбины, корпуса осевых компрессоров, элементы камер сгорания, трубопроводов, различные втулки. Для толстостенных полых цилиндров после обработки наружной поверхности получены следующие выражения для удлинения ДI , радиальных перемещений ги и углов закручивания <ря :

21 а

а а

~2^272 /(>0 - с1п - ¿¿(1 + а0(72 - 70) /(сгг - ца0) ¿п], о о

Мк1 41 Ч ,

^т'-щ^тгГ'*11'

где 7 = , 70 = ^ ; ■. Лн и Лв - наружный и внутренний радиусы цилинра.

Аналогичные выражения получены и для случая обработки внутренней поверхности, а также для сплошного цилиндра. В силу большой жёсткости, деформациями краевого эффекта здесь можно пренебречь.

(7)

Для тонкостенных достаточно длинных валов (Ы > 3) на основе теории тонких оболочек получена расчётная схема (рис.3), в соответствии с которой радиальные перемещения определяются следующим выраже-

Яп пр

мС

N

Мк

В

44- 44-

ос

г

нием:

Я

шг г = -

где М.

Рис.3 У (а в - ца- г)йп ■ к =

Мк

е

N

/аг(п) йп , (3 = кг

М 2 кЮ(

""(сов/З-вт/?), (8)

п _

- 12(1-^) '

О - ' л/Ж

На основе указанной расчётной схемы решены задачи определения деформаций для коротких цилиндров ( 0,4 < к1 < 3 ), цилиндров, обработанных на длинных и коротких участках с различной толщиной стенки, а также для цилиндров с кольцевым утолщением на торцах.

Результаты экспериментов на длинных и коротких цилиндрах, упрочнённых ппевмодробеструйным способом и алмазным выглаживанием, хорошо подтверждают основные положения теории.

5. КОРОБЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА "КОЛЬЦО"

В данном разделе рассматриваются кольцевые детали с жёстким поперечным сечением (рис.4) и малой кривизной > 5), к которым отно-

гсе),

л.

и>(9>'4'(9)

1 1

и 1 я

Рис.4

сятся, например, кольца подшипников, а также тонкостенные кольца с деформируемым профилем - проставки, лабиринты уплотнения, наружные, внутренние и трактовые кольца компрессора ГТД . , Рассмотрен общий случай неравномерной обработки, когда остаточные напряжения распределяются неосесимметрично. На основе метода интегралов Мора и общих решений для стержней (3) получены наиболее важные для практики выражения для радиальных перемещений «;($).,

углов поворота поперечных сечений в своих плоскостях Ф(б) и переме щение Z(в) в направлении, перпендикулярном плоскости кольца.

При равномерной обработке, когда остаточные напряжения осесим метричны, выражения для деформаций упрощаются. В этом случае про исходит лишь изменение диаметра АО и поворот каждого поперечной сечения кольца в своей плоскости на одинаковый угол Ф :

Д£) = ^ = /)~ ¿пс18 ,

и 50 I- <9)

Ф = /¿[(вша + -у-со8а)Аки - (сова —р8та)Дк„]. где ! а

в о

1 а

Дк„(0) = £ I г)(ст9 - йпйв.

(10)

5 0

На основе разработанной теории решена задача о деформациях заго товок высокоточных кольцевых деталей, например, колец подшипников после вырезки их из трубы. Это решение использовано в дальнейшем длг оценки и нормирования остаточных напряжений в заготовках-трубах.

В работе рассмотрены также тонкостенные кольца, у которых посл( обработки поверхности возможны значительные искажения формы поперечного сечения. Разработана расчётная схема, основанная на расчленении детали на ряд простых элементов - кольца, кольцевые пластины, короткие оболочки, деформации которых определяют из услови£ их упругого сопряжения. В качестве примера решена задача для кольца с несимметричным П-образным профилем, а также сделаны расчёта для проставки ГТД диаметром 442 мм с симметричным профилем после вибрационной ударной обработки.

Проведены экспериментальные исследования деформаций колец подшипников 103292451Т2 из стали ШХ15 и экспериментальных колец из стали 45 после упрочняющей обработки дробеструйным способом. Полученные результаты хорошо согласуются с расчётными данными.

6. КОРОБЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА "ДИСК"

Наряду с дисками ГТД к этой группе относятся, например, покрывной диск, поршень серводвигателя, а также детали, имеющие форму круглых пластинок с центральным отверстием - различные элементы тонкостенных проставок и трактовых колец. Будем полагать, что в тонком поверхностном слое а деталей после обработки поверхности возникают осесимметричные остаточные напряжения.

и

Диски переменной толщины предлагается расчленять на элементы с прямоугольным поперечным сечением, эквивалентная высота Лг- которых (рис.5) находится из условия равенства площадей поперечных

Рис, 5

сечений. При этом полагается, что в пределах каждого элемена остаточные напряжения постоянны. В этом случае появляется возможность использовать известное решение для круглых пластинок постоянной толщины, и силовые факторы упругого сопряжения находят из граничных условий и условий совместности деформаций элементов.

Для определения деформаций диска в зависимости от координаты г сначала нужно установить номер соответствующего г-го элемента, где находится эта координата. Тогда радиальные перемещения U(r), прогибы w(r) и углы поворота i?(r) находят из выражений:

Щг) = Е ufa) + ад, w(r) = g wfa) + wfa,

3=1 3=1

(11)

ö(r) = £ 0fa) + Mr)-

3=1

Отметим, что все полученные выражения справедливы и для сплошных дисков без центрального отверстия.

Число элементов, на которые разбивается диск, выбирается в зависимости от его размеров и формы, характера изменения остаточных напряжений. Сравнительные расчёты показывают, что уже при п > 3 погрешность расчёта не превышает 4 - 5 %.

7. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ КОРОБЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Определение остаточных напряжений

При отработке технологии изготовления ответственных деталей необходимо знать величину остаточных напряжений непосредственно в самих деталях. Использование для этой цели образцов-свидетелей не всегда эффективно, так как трудно, а часто и невозможно обеспечить идентичность образования остаточных напряжений в образце и детали. В работе

показано применение теории короиления для определения остаточны? напряжений в образцах, вырезаемых из лопаток компрессора, а также непосредственно в кольцах подшипников, имеющих сложную форму поперечного сечения.

В первом случае образцы могут иметь переменное по длине поперечное сечение и закрутку. На основе выражений для прогибов закрученны> лопаток (раздел 3) получена следующая формула

Е Фу /юч

= -7—Т—"Г--Г"-ЛГ' (12)

+ г) ¿г

где 1п , Ц ~ моменты инерции поперечных сечений образца относительно главных осей; £х - статический момент контура поперечного сечения, где последовательно удаляются поверхностные слои; а - угол закрутки поперечных сечений; координата г отсчитывается от места крепления образца по консольной схеме. На основе (12) получено выражение для толщины эквивалентного прямоугольного сечения, позволяющего использовать известные формулы для призматических образцов.

Аналогично для колец с произвольным сечением (см. раздел 5) имеем

_Е_ d(AD)

а° 2R[R(fvCosa - j^sína) - f] ' da

E dy

as - (ias =

(13)

2 R(f- sin a + f- eos a) da '

где AD и 7 - перемещения (изменение диаметра и взаимный поворот диаметральных поперечных сечений кольца в своей плоскости), измеряемые в процессе удаления слоя а длиной L.

Очевидно, что остаточные напряжения можно определять по любой из полученных, формул. Окончательный выбор формулы зависит от того, какое из перемещений можно измерить с наибольшей точностью.

Формулы проверены экспериментально и использовались для исследования и совершенствования различных технологических процессов.

Совершенствование процессов упрочнения лопаток ГТД

Исследованиями установлено, что ещё перед операцией гидродробеструйного упрочнения (ГДУ) до 50 % лопаток имеют прогибы в сторону спинки, превышающие допуск ± 0,5 мм. После ГДУ прогибы увеличиваются на 1 - 3 мм. При этом остаточные напряжения на спинке и корыте практически одинаковы, что подтверждается также отсутствием после ГДУ сколько-нибудь заметных изменений кривизны профиля лопатки.

На основе анализа формул (3) разработан способ исправления коробления, заключающийся в повторном ГДУ со стороны спинки без вращения в течение 2 мин на усиленном режиме. Величина давления рабочей жидкости устанавливается в пределах Рж = 0,25 — 0, бМПа в зависимости от величины прогиба. В результате повторной обработки остаточные напряжения в спинке лопатки увеличиваются и лопатка получает дополнительный прогиб в сторону корыта.

Несмотря на высокую эффективность, изложенный способ целесообразнее использовать для вспомогательных целей, а коробление устранять непосредственно в процессе упрочнения лопаток. С этой целью был разработан новый способ упрочнения, заключающийся в поочередной обработке с различной интенсивностью спинки и корыта лопатки. Так как прогиб лопатки в большей степени зависит от остаточных напряжений на корыте, то сначала следует обрабатывать корыто на режиме, обеспечивающем достаточное увеличение сопротивления усталости, т.е. на режиме серийной технологии (Рж = 0,25 МПа). При этом лопатка деформируется в сторону спинки. Далее спинку обрабатывают на таком режиме, чтобы деформация лопатки была устранена.

Способ реализован на модернизированных с этой целью гидродробеструйных установках ГДЭУ-К-Лк. Для определения необходимых режимов обработки на основе формул для прогибов закрученных лопаток и экспериментальных исследований разработана номограмма (Рис.6). Способ обеспечивает значительное уменьшение рассеивания прогибов и

20 .10

-1.0 -0,5

0,5 ММ 1,5

Рис.6

Прогиб f

Рис.7

выход до 90 % годных лопаток (Рис. 7). Остальные лопатки исправляют изложенным выше способом. Наблюдаемые при этом изменения кривизны профиля находятся в пределах допуска, а вызываемое ими увеличение углов закрутки лопаток без особых трудностей устраняются при

сборке направляющих аппаратов.

Исследования нового способа упрочнения показали, что по сравнению с прежним способом шероховатость поверхности и сопротивление усталости лопаток остаются на прежнем уровне. За счёт устранения непроизводительных фаз вращения лопаток длительность процесса упрочнения уменьшается в 2 раза, а также устраняется присущий прежнему способу расклёп тонких кромок. Изложенный подход можно применять и к другим деталям при упрочнении другими известными способами.

Оптимизация режимов упрочнения деталей методами ППД

Установив связь между величиной остаточных напржкений и режимами ППД, можно обоснованно назначать способ и режимы обработки, которые обеспечат необходимую точность размеров и наибольшую долговечность деталей. В работе показано применение такого подхода на примере упрочнения колец подшипников. На основе много факторного планирования экспериментов установлена связь между величиной остаточных напряжений и параметрами режимов обработки микрошариками

}(ав - /л*.) йп = 67,23 - У'19 • ¿°'055 • т0'23,

О а (14)

] а, ¿п = 96,04 • ;>и9 • й0-065 • Т0'25, 1 '

о

и механическими щётками

](а0 - ^¿п = 1,43 ■ Т^4^1™ • г0'21 • (Г1'54,

]а$<1п = 2,04 • у«>.45+1,07М). го,21. ¿-1,54} (15)

где р, (1 и г - давление водуха (0,16-0,40МПа), диаметр шариков (0,1-2,4мм) и длительность обработки (15-60с); У и 6 - окружная скорость (20-40м/с) и натяг ворса (2-6мм) для щёток.

На основе полученных результатов для внутренних колец подшипников 6-32205Д1 разработана номограмма (рис. 8) для определения режимов упрочнения дорожек качения механическими щётками (1) и микрошариками (2).

В работе установлено, что испытания на контактную усталость при качении не выявляют отрицательного влияния коробления колец на их долговечность. Поэтому режимы обработки, которым соответствует наибольшая контактная выносливость образцов, могут не соответствовать режимам, обеспечивающим наибольшую долговечность подшипников. Так, исследование влияния различных способов ППД на контактную усталость подшипниковой стали показало (рис. 9, 1-суперфиниш;

2-обработка механическими щётками; 3-обработка микрошариками; 4-обкатывапие шаром) , что наибольшей контактной выносливостью обла-

иР

МПа 0,4

35 40 М/С 50

V—

о 1.« 3

^ «А

а о,о

£ 0,5

± 1,0

V- 1 X

2 1,5 а

и

а 2,0

п. -Н —и

!

ч, Я—/Я»

У 2 Ль / —

— V ул

А >н чз

1

Рис. 8

г 5 А 5 810' 2 3 4 6 8 к1 Числе ЦИКЛОВ .

Рис.9

дают образцы, упрочненные обкатыванием шаром. Этому способу ППД соответствовали наибольшие остаточные напряжения и, соответственно, деформации. Однако, результаты стендовых испытаний подшипников, представленные в таблице 1, показывают, что наибольшей долговечно. Таблица 1

Деформации и долговечность подшипников А-32205 после различных способов ППД

Способ Супер Обработка Обработка Обкатывание

обработки финиш щетками микрошар. шаром

Деформации АО - 1,0 3,0-3,5 4,0-4,5 •

мкм А/ - 1,0-1,5 2,5-3,0 5,5-6,0

Долговеч-

ность ¿90 319 406,5 413 338

(% к расч.) ¿50 421 678 917 499

стью обладают подшипники, кольца которых обработаны микрошариками и имеют значительно меньшие деформации. Следовательно, для обеспечения наибольшей эффективности режимы упрочнения деталей следует назначать с учётом допускаемых деформаций.

Исследование коробления цилиндрических деталей

Проведены экспериментальные исследования остаточных напряжений и деформаций авиационного трубопровода из сплава ВНС-2 после упрочнения вибрационной обработкой шариками 0 4 мм. Обработке, подвергались одновременно наружная и внутренняя поверхности. Установле-

но, что, несмотря на малые размеры, изменение диаметра трубопровода вследствие тонкостенности достигает заметных величин. Расчёт по формулам (8) и измерения на микроскопе УИМ-23 (цена деления 0,001 мм) показали увеличение диаметра трубопровода AD « 0,010мм, чтс может значительно повлиять на величину зазоров в ниппельном соединении и, следовательно, на его циклическую прочность. Поэтому режимы упрочнения нужно выбирать с учётом требуемых допусков, либо размеры ниппеля должны быть скорректированы на величину деформации.

В работе рассмотрено также применение теории коробления цилиндрических деталей для разработки мероприятий по уменьшению деформаций краевого эффекта на тонкостенных валах. На основе полученного в разделе 4 решения задачи о деформациях цилиндра с кольцевым утолщением на торце установлено, что можно подобрать режимы и протяжённость торцевого участка для дополнительной обработки, которые практически полностью устраняют явление краевого эффекта.

Нормирование остаточных напряжений

Рассматривается нормирование остаточных напряжений по допускаемым деформациям [Д,], обусловленным технологическими допусками. Показано, что в общем виде эта задача не имеет однозначного решения, так как заданным деформациям детали может соответствовать множество напряженных состояний. Необходимы дополнительные условия например, закон распределения остаточных напряжений в поверхностном слое а , который обусловлен видом обработки. Этот закон можнс определить путем предварительных экспериментальных исследований.

В тех случаях, когда невозможно аналитически выразить остаточные напряжения через деформации детали, предложен метод единичных нагрузок, который заключается в следующем. Сначала задаются единичными интегральными величинами остаточных напряжений, т.е.

__а а

Ni = 1, (i = а, (3, а/3), например: 1(сгв-цаЛ dn = 1, /ст2 dn — 1, и опре-

о о _

деляют соответстующие им "единичные" деформации детали А, . Тогда

допускаемые интегральные величины остаточных напряжений [iV¿] находят из очевидного соотношения

[JV¡] = W¿ (16)

Далее, используя известный из экспериментов закон изменения остаточных напряжений по толщине слоя а , можно определить либо допускаемые величины остаточных напряжений, либо допускаемую толщин}

слоя а с остаточными напряжениями, необходимую при назначении технологических припусков.

В качестве примера рассмотрено нормирование остаточных напряжений на финишных операциях в кольцах подшипников, которые в зависимости от размеров и формы разделены на три типовые группы. В работе рассмотрено также нормирование остаточных напряжений в заготовках-трубах по деформациям вырезаемых колец. Для этого использовано полученное в разделе 5 решение задачи о деформациях кольца после вырезки из трубы.

Неразрушающий контроль качества упрочнения

В работе показано, что располагая достаточно точными зависимостями между остаточными напряжениями и деформациями деталей, полученными в разделах 3 - 6, можно контролировать качество упрочнення деталей неразрушающим способом. Для этого нужно определять изменение какого-либо характерного размера детали, например длины, диаметра, прогиба или изменение кривизны и др. Для каждого типа деталей несложно разработать номограммы, устанавливающие зависимость между контролируемыми размерами и интегральной величиной остаточных напряжений. Конкретные примеры такого контроля использованы при разработке рассмотренных выше способа упрочнения лопаток и методики оптимизации режимов упрочнения колец подшипников. Очевидно, что точность контроля будет зависеть от точности измерения деформаций деталей. При этом нужно учитывать, что наряду с иЗмепеием размеров часто происходит изменение формы деталей.

8. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОРОБЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НЕРАЗРУШАЮЩИМ МЕТОДОМ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Раздел посвящен разработке неразрушающего метода прогнозирования коробления деталей на основе теплового воздействия.

Физические основы метода

Известно, что деление остаточных напряжений на I, II и III рода условно. Все эти напряжения связаны между собой и, независимо от причин их вызвавших, являются следствием искажений кристаллической решетки. Для приближённого описания сил межатомного взаимодействия разработана модифицированная двухатомная модель Френкеля, учитывающая смещение атомов £с из положения равновесия г0 вследствие появления искажений (дефектов). В результате получены следующие зависимости влияния степени искажения решётки £ = ^ на модуль упругости Е

и температурный коэффициент линейного расширения (TKJIP) а материала:

Е = Ес(1-2е), а = (17)

где - Е0 и а0 - модуль упругости и TKJIP при отсутствии дефектов.

Отсюда следует важный вывод для выражения Еа0

Еа = Е0а0 = const, (18)

которое используется для определения температурных напряжений.

Эти выводы подтверждаются результатами экспериментов на образцах из стали 40Х и сплава АК4-1, приведенными в таблице 2.

Кроме Ежа дефекты изменяют также и плотность материала р . Поэтому наряду с дилатометрическими большой интерес представляют акустические и резонансно-частотные методы исследования. Эксперименты на образцах диаметром 9 мм и длиной 120 мм, изготовленных из стали ШХ15 точением, показали, что после отжига при t = 550 °С в течение 190 мин резонансная частота продольных колебаний возросла с 6379,83 Гц до 6454,85 Гц при температуре испытания t = 20 °С. Это полностью соответствует изложенной выше теории, а также свидетельствует о достаточно высокой разрешающей способности метода.

Одпако, наряду со статическими искажениями , большой интерес представляет изучение динамических искажений , которые обусловлены влиянием статических искажений на тепловые колебания атомов. Зависимость от температуры t проявляется в температурной зависимости a(t) , которая определяется на основе справочных данных и для большинства конструкционных материалов в отожжённом состоянии в интервале от 0 до 200 - 500 °С близка к линейной и имеет порядок

Л-а = ^ = Ю-9...10-8,К-2. (19)

Исследования зависимости резонансной частоты / от температуры t на указанных выше образцах показали, что остаточные напряжения, существовавшие в образце после точения, приводят к существенной нелинейности температурно-частотных характеристик (ТЧХ) (рис. 10,а), которые после отжига образцов становятся практически линейными (рис. 10,6). Кроме этого, для материалов с остаточными напряжениями ТЧХ при нагреве и охлаждении не совпадают, что свидетельствует о необратимости процесса теплового расширения и о соответствующем различии температурных коэффициентов частоты (ТКЧ) - а/ .

С помощью дифференциального анализа установлено, что в случае продольных и поперечных колебаний aj определяется выражениями

1

а - после точения; б - после стабилизирующего отжига

Рис. 10

а/ = -а + аЕ - ар), а/ = -а + аЕ-ар, (20)

где аЕ , ар - температурные коэффициенты модуля упругости и плотности материала.

Полученные результаты дают основание для утверждения,I что экспериментально подтверждено и теоретически обосновано существование эффекта нелинейности температурных характеристик (ЭНТХ), который заключается в том, что статические искажения кристаллической решетки существенно влияют на динамические искажения. Эффект проявляется в необратимости процесса теплового расширения, изменении величин Е, аир, нелинейности температурных зависимостей а, аЕ , ар и а/ , а также в различии их величин при нагревании и охлаждении.

Следовательно, для материалов с внутренними напряжениями, т.е. с большой концентрацией дефектов, температурные характеристики а, ав , ар и а/ становятся существенно нелинейными и каждый из перечисленных параметров может служить для контроля размерной стабильности материалов и прогнозирования коробления деталей.

Экспериментальное обоснование метода контроля

В дальнейшем в качестве исследуемого параметра деталей приняты температурные деформации деталей, измеряемые дифференциальным" способом с помощью датчиков - струнных преобразователей. Для5 этого разработана система контроля и методика тарировки датчиков. По-

2С

лучаемые таким образом дилатограммы Д/(<) представляются с помощью сплайнов 3-го порядка в виде зависимости т(£) , называемо!! температурно-периодной характеристикой (ТПХ).

Для оценки размерной стабильности и прогнозирования коробления предложен критерий

где - зависимость а от температуры

_ ¿а _ П ¿2т А<~ {22>

П - передаточная функция, определяемая экспериментально при тариро] ке датчика: I - длина контролируемой детали.

Таким образом, геометрическим аналогом является кривизна или нелинейность ТПХ. Для повышения точности и достоверности контроля в условиях ограниченной исходной информации разработана специальная методика сплайн-аппроксимации и обработки результатов измерений. Методика позволяет определить минимальное из всех возможных значение /!';(<) , которое в дальнейшем используется для оценки состояния материала или детали.

Результаты экспериментальных исследований, приведенные в таблице 2, показывают, что параметр Кср является более чувствительной

Таблица 2

Результаты экспериментов на образцах из стали 40Х и сплава АК4-1

Материал ст. 40Х АК4-1

Параметры Исходи, сост. Пл. деф. £осх = 1% Закалка г = 800°С Исходи, сост. Пл. деф. Сост = 0,5% Закалка 1 = 450° С

Е , МПа 19390 20040 18910 7220 7540 7370

а ■ 106, К"1 12,6 11,9 13,2 23,7 23,1 24,8

КС9 ■ ю8, к-2 6,2 7,5 13,1 19,3 22,5 65,8

ка • ю8, к~г 0,7 1,0

Еа, МПаК"1 244,3 238,5 249,6 171,1 174,2 182,7

по сравнению с Е и а характеристикой состояния материала и может служить параметром для неразрушающего контроля и прогнозирования коробления, а также целевой функцией при решении технологических задач по уменьшению коробления и повышению размерной стабильности высокоточных деталей.

Применение метода для контроля заготовок деталей

Исследовали в состоянии поставки заготовки лопаток 1-3 ступеней компрессора ГТД из сплава ВД17 длиной до 450 мм и из сплава ВТЗ-1 длиной 120 мм. Поскольку применение данного метода контроля как перазрушающего метода относится к деталям, размеры которых не превышают размеры струнных преобразователей (на данном этапе работ -до 200мм), то вследствие больших размеров из заготовок ВД17 вырезали образцы длиной I « 90 мм. Контроль состояния материала штамповок проводили выборочно по 2 - 3 шт. из каждого комплекта. Всего было исследовано 72 заготовки из ВД17 и 21 заготовка из ВТЗ-1. Результаты измерений, представленные в таблице 3 , показывают, что средний уровень

1<ср =

Е КсР Для комплектов с повышенным короблением приблизи-

тельно в 8 раз больше Кср для комплектов с пониженным короблением и намного превышают величины Ка .

Таблица 3

Результаты контроля заготовок лопаток из ВД17 и ВТЗ-1

Материал Кг, Кср Средний

10-8К-2 10-8К-2 % брака

28,1 > 50

ВД17 0,6 3,6 10

11,3 100

после фр.+шл.

8,5 50

ВТЗ-1 0,3 1,1 10

Кроме штамповок было исследовано 16 лопаток из ВД17, отбракованных по короблению после операций фрезерования и шлифования. Величина Кср для этих лопаток тоже значительно больше Ка (см. табл. 3), но в 2,5 раза меньше Кср для штамповок из комплектов с повышенным короблением. Это можно объяснить тем, что при механической обработке удаляется поверхностный слой (технологический припуск), в котором концентрация дефектов выше, чем во внутренних слоях заготовок.

Аналогичные результаты были получены при исследовании заготовок кольцевых деталей из сплавов АК4-1 и ВТЗ-1 диаметром до 800 мм. При этом измерения изменения диаметра деталей из ВТЗ-1, разрезаемых в процессе изготовления, показали, что деформации от разрезки не могут в полной мере характеризовать остаточное напряжённое состояние деталей. Это подтверждается тем, что кольца с малыми деформациями после разрезки, но с большими значениями А"ср, с течением времени

2i

продолжают деформироваться, т.е. в них протекают релаксационные процессы. Следовательно, размерная стабильность деталей в больше! степени зависит от внутренних микронапряжений, т.е. от напряжений Г и III рода, чем от остаточных макронапряжений I рода.

9. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ЦЕЛЬЮ УМЕНЬШЕНИЯ КОРОБЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Раздел содержит методику и примеры совершенствования технологических процессов на основе разработанного метода контроля.

Методические основы

Экспериментально установлено, что при снятии остаточных напряжений изменение а и Кср происходит тем больше, чем больше их исходные значения. При этом Кср изменяется в большей степени, чем а . Не практике трудно подобрать партию экспериментальных образцов или деталей с одинаковыми исходными характеристиками. Поэтому в качеств* функции отклика при построении математических моделей технологи ческнх процессов (ТП), связанных со снятием или перераспределением остаточных напряжений, следует использовать величины ДА'ср//Q'pcx i Да/о-исх , где ДА'ср = Кср - К™к и Аа = а - аисх .

Для совершенствования заготовительных ТП с целью обеспечения ми нимального уровня остаточных напряжений в объеме заготовок в каче стве целевой функции нужно использовать А'ср . В этом случае параме тры ТП определяют из условия обеспечения (Кср )min . Во всех случая? необходимые параметры и режимы ТП определяют на основе многофак торного эксперимента. В зависимости от условий эксперимента и количества факторов, которые нужно учитывать, выбирают степень дробносп-эксперимента и назначают необходимое количество образцов —- загото вок или деталей. При этом, для повышения точности измерений длин; образцов не должна зачительно отличаться от длинового размера пре образователей.

Исследование термических методов стабилизации деталей

Исследования режимов термостабилизации (ТС) сплавов ВД17 i ВТЗ- 1 проводились с целью уменьшения коробления лопаток и кольце вых деталей компрессора ГТД после механической обработки (удаленш с заготовок технологического припуска) 1. При построении математиче

1 Исследования, проведённые на АО "Рыбинские моторы" под научным руководством автора, пока зали, что все виды термообработки с температурой выше температуры старения ~ 200 °С приводят : резкому снижению механических свойств и коррозионной стойкости алюминиевых сплавов. Поэтом

ской модели ТС в качестве функции отклика использовался критерий у = ЛЛ'ср

Определение параметров ТС делится на следующие этапы:

1) определение наибольшей допускаемой - "критической" скорости охлаждения VKp , не приводящей к образованию в процессе охлаждения детали термических остаточных папряжений;

2) определение наибольшей допускаемой - "критической" температуры Ткр , начиная с которой можно охлаждать деталь на воздухе, т.е. без контроля величины скорости охлаждения;

3)определение оптимальной температуры нагрева Г и длительности выдержки г при этой температуре.

Если определение параметров 3-го этапа для различных материалов достаточно хорошо исследовано, то сведения о Ткр и VKp в известной литературе отсутствуют. После определения критические параметры должны быть зафиксированы как постоянные. В этом случае математическая модель ТС упрощается и содержит всего два переменных параметра -Гиг, которые следует искать из условия •

Для исследования п реализации различных режимов термообработки разработана система автоматического регулирования температуры. В результате экспериментов из условия (т^) —► 0 для сплава ВД17 были получены следующие значения: VKp = 50 К/ч и Ткр — 150 С .

Для исследования влияния Т и т на эффективность термостабилизации на основе полного двухфакторного эксперимента было получено следующее выражение

У = 2,125 - 0,15т - 5,88 • 10-3Т + 4,42 • 10~4тТ. (23)

На основании полученной модели можно осуществить оптимизацию, например методом крутого восхождения, и определить оптимальные величины Гопт и гопт .

Экспериментальные исследования рекомендуемых справочниками режимов стабилизации ( Топт и т0ПТ ) для сплавов АК4-1 и ВТЗ-1 показали, что эти параметры для каждой партии заготовок следует уточнять в зависимости от их остаточного напряжённого состояния.

Виброударный метод стабилизции деталей

Поскольку термические методы стабилизации понижают прочностные свойства и коррозионную стойкость алюминиевых сплавов, для уменьшения коробления лопаток ГТД нами предложен виброударный метод стабилизации. В работе рассмотрены теоретические основы метода, определена предельная скорость ьпрея ударяющего (ударяемого) тела, при

данный раздел имеет в основном методическое значенне.

которой в материале начинают возникать неупругие деформации:

ипг,ед = ' .

где сгп - предел пропорциональности материала.

Установлено, что наибольшая эффективность обработки достигается случае, когда частота ударных воздействий становится кратной частот собственных продольных колебаний стержня:

(25)

а период ударных воздействий должен быть существенно меньше врем! ни затухания продольных колебаний в стержне. Это время зависит с внешних и внутренних сил сопротивления и на практике определяете экспериментально.

Экспериментальные исследования проводили на заготовках направлз ющих лопаток второй ступени компрессора из сплава ВД17 длиной 360 420 мм. Виброобработка проводилась на модернизированной машив ВГМ-5А с амплитудой 4-6мм и частотой 23Гц. При фиксированны амплитуде и частоте требовалось определить оптимальную длительност обработки. В качестве критериев использовали величины ТКЛР и ЩЦг

^ср

которые определяли на образцах, вырезаемых из опытных заготовок лс паток до и после виброобработки. Результаты исследований представле ны в виде графиков на рис. 11.

10 мин 15

Рис. И

Штриховкой выделены зоны рассеивания экспериментальных данны> Исследования показали, что после виброобработки ТКЛР уменьшает ся, а величина растёт. В области 5-7минут виброобработк

лкср

/^исх ,

наблюдается стабилизация величины ТКЛР и снижение роста при дальнейшем увеличении длительности обработки происходит умень шение . Это свидетельствует о снижении эффективности далъ

ср

нейшей виброобработки. Для апробации в производственных у слови ях были выбраны два режима с длительностью 5 минут (оптимальный

[ 10 минут (проверочный), на которых обрабатывались две партии за-отовок по 30 шт. каждая. Третья партия из 75 шт. заготовок была :онтрольной и виброобработке не подвергалась. После механической юработки фрезерованием и шлифованием деформации всех лопаток из [ервой (оптимальной) партии были в пределах технологического допус-;а. Во второй и третьей партиях количество лопаток с короблением :верх допуска составило соответственно 4 и 17 штук. Испытания ло-таток на выносливость и коррозионную стойкость показали, что вибро-)бработка не ухудшает свойства материала.

Полученные результаты не только подтверждают эффективность зиброудариой обработки и методики определения режимов, но и доказы-зают необходимость точного определения и строгого контроля режимов лгятпя остаточных напряжений.

Исследование механической обработки резанием Исследование процессов точения сплавов ВТЗ-1 и АК4-1 резцами с гвёрдосплавными пластинками из ВК-8 проводилось на плоских образцах 60 х 25 х 20 мм. Для обеспечения условий подобия и требуемых скоростей резания была разработана специальная оснастка - оправка, обеспечивающая возможность точения плоких образцов.

Математическую модель процессов точения строили в степенной форме на основе дробного факторного эксперимента 27-4. В качестве критерия использовалась величина ЛКср . После исключения незначащих параметров ( г для ВТЗ-1 и /3 для АК4-1) и проверки на адекватность были получены следующие выражения: для ВТЗ-1

АХср = Ю-9'02 ■ 5~"0,396 • г°<386 • V0'487 ■ <Г0'164 • а0-180 • Г6'810, (26)

для АК4-1

ДКср = Ю-7,991 • ¿У0,178 • Г0-288 • К0,636 • ■ гр<566 • а0'0825, (27) где 5-подача; I -глубина резания; V - скорость резания; затупление резца; г -радиус при вершине резца в плане; а -задний угол; ¡3 -угол резания ( хЮ-2).

Применяемые на производстве режимы точения указанных сплавов для изготовления проставок и других тонкостенных кольцевых деталей были следующие: для ВТЗ-1

5 = 0,1 мм/об, 1 = 0,8мм, V = 26,28м/мин, 6 = 0,05мм, а = 10° , (3- 10-2 = 0,85о, г = 0,85мм; для АК4-1

S = 0,195мм/об, t = 0,6мм, V = 271,4м/мин, 6 = 0,05мм, а = 1С (3 • 10~2 = 0,85° , г = 0,85мм.

Расчёты по формулам (26) и (27) показывают для ВТЗ-1 ДКср 6,37 • 10-8,if-J (при Ка = 0,3 ■ 10~8,/С"2) и для АК4-1 ДКср 16,1 • Ю-8, К'2 { К а = 1,0- 10 ~8,Л'~2), что свидетельствует о нераци иальиости приведённых выше режимов и, наряду с повышенными ост точными напряжениями в заготовках, может служить объяснением в блюдаемого на практике коробления (эллипсности и неплоскостност кольцевых деталей после точения. Выражения (26) и (27) могут бьг использованы для оптимизации режимов резания.

Исследование процесса изотермической штамповки Работа проводилась с целью повышения размерной стабильности м териала ВТЗ-1 лопаток длиной до 120 мм. С помощью предварительнь экспериментов были выявлены пять параметов и пределы их изменени оказывающие наибольшее влияние на качество лопаток: длительное отжига г = (15 - 45) мин; температура нагрева под калибровку Ти (800 - 930) °С ; температура термостата Тх = (450 - 700) °С ; скорое-, охлаждения лопаток после отжига V = 60 — 220 К/мин; температyi калибровки Гх = 800 - 930 °С .

Неполную квадратичную модель технологического процесса строил на основе дробного факторного эксперимента 25~2 . В качестве критер! оптимизации использовалась величина Кср . После проверки на ад кватность была получена следующая зависимость :

Кср = Ю~8( 347 - 2,3596г - 0,43097ТН - 0,5298ТХ + 0,0341У+

+0,0272ГК + 0,00289гТн + 0,0006129ТкГт). (28

В серийном технологическом процессе т = ЗОмин, Тн = 900°С Т, = 550°С , V = 140К/мин, Тк = 900°С . Этим значениям сос ветствует Кср = 7,6 • Ю-8, К~2 , что свидетельствует о неоптимальносл технологического процесса. Поиск параметров, соответствующих мши муму Кср , осуществлялся методом наибольших градиентов. В резул; тате были получены следующие значения :

т = 25мин, Г„ = 930°С , Тх = 450°С , V = бОК/мин, Тк = 800°С

По опытной технологии, которой соответствовало значение Кср ~ 2,! 10~8, /i'-2 , было изготовлено 16 лопаток. Исследования микроструктур и механических свойств материала не выявили существенного отличи опытных и контрольных лопаток.

Измерения деформаций лопаток проводили на измерительной маши? "INSPECTOR" с точностью 0,002 мм в течение 11 суток после изготовл!

ния. Результаты исследований подтверждают экспоненциальный закон изменения деформаций лопаток во времени и свидетельствуют о повышении размерной стабильности опытных лопаток по сравнению с контрольными в Зраза: прогибы и изменение углов закрутки поперечных сечений уменьшились соответственно с 0,020 мм и 7,3 минут до 0,008 мм и 2,2 минут.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые разработан общий расчётный метод прогнозирования коробления деталей произвольной формы после обработки поверхности, учитывающий все компоненты остаточного напряжённого состояния. Показано, что подходы, основанные на использовании остаточных напряжений и первоначальных деформаций или напряжений приводят к одинаковым результатам.

2. На основе общего метода разработана теория коробления деталей типа стержня, цилиндра, кольца и диска, учитывающая наряду с осевыми окружные и касательные остаточные напряжения.

3. Разработаны основные принципы нормирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей по допускаемым деформациям, а также в заготовках-трубах по деформациям вырезаемых колец.

4. Рассмотрено применение теории коробления деталей для решения технологических задач:

— разработки методик определения остаточных напряжений в стержневых и кольцевых образцах и деталях ГТД с произвольным поперечным сечением;

— разработки способа устранения коробления и совершенствования процессов упрочнения лопаток компрессора ГТД ;

— разработки методики оптимизации режимов упрочнения деталей с учётом допускаемых деформаций;

— разработки мероприятий по уменьшению коробления тонкостенных валов в области торцев (деформаций краевого эффекта);

— неразрушающего контроля качества упрочнения деталей ППД.

5. Впервые теоретически обоснован и экспериментально подтверждён эффект нелинейности температурных характеристик (ЭНТХ), заключающийся в том, что статические искажения кристаллической решетки существенно влияют на динамические искажения. У материалов с повышенной концентрацией дефектов и внутренних напряжений эффект проявляется в необратимости процесса теплового расширения, существенном изменении величин Е, а и р , нелинейности их температурных зависимостей ö,a£,üpiittj , а также в различии величии этих темпера-

турных характеристик при нагревании и охлаждении.

6. На основе ЭНТХ разработан неразрушающий метод контроля рг мерной стабильности материалов и прогнозирования коробления дет лей. Проведено исследование и апробация возможностей метода для кс троля заготовок лопаток ГТД и кольцевых деталей в производственш условиях.

7. Разработаны система контроля, методика тарировки средств кс троля (датчиков) и методика обработки результатов экспериментов условиях ограниченной информации, позволяющие проводить высок точные дилатометрические исследования деталей в области малых вс действий и на их основе с достаточной степенью надёжности осун ствлять контроль размерной стабильности материалов и прогнозирова коробление деталей.

8. На основе ЭНТХ и метода контроля разработаны методическ основы совершенствования технологических процессов и определения £ жимов обработки с целью повышения размерной стабильности и умев шения коробления деталей. Показано применение метода контроля разработанных методик для исследования термических и механическ: методов снятия остаточных напряжений и стабилизации размеров дет лей, режимов механической обработки резанием, изотермической шта повки заготовок лопаток из сплава ВТЗ-1.

9. Для метода термостабилизации разработаны методики опреде/ ния критических скорости охлаждения и температуры, а также друг: параметров, которые не приводят к образованию термических остатс ных напряжений. Установлено, что термические методы не примент для уменьшения коробления деталей из высокопрочных дюралюминг вых сплавов вследствие значительного снижения коррозионной стой* сти и механических свойств материала.

10. Для уменьшения коробления без снижения коррозионных и мех нических свойств материалов разработан и апробирован в производстве ных условиях виброударный метод стабилизации деталей. С помонц разработанных методик найдены режимы, обеспечивающие эффект!: ность виброударной обработки. По сравнению с известными метод от.г чается значительно большей производительностью и низкими энерго трудозатратами.

11. На основе ЭНТХ проведено исследование процесса изотерма ской штамповки заготовок лопаток длиной до 120 мм из сплава ВТЗ-Найдены режимы, существенно повышающие размерную стабильное материала. Периодический контроль геометрии лопаток в течение 2

часов после изготовления показал, что наиболее интенсивно лопатки деформируются в течение первых 70-100 часов. При этом прогибы if изменение углов закрутки поперечных сечений у опытных лопаток в З раза меньше, чем у контрольных, изготовленных по серийной технологии. :

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Букатый С.А. Изменение размеров и формы деталей после обра-эотки поверхности / Рыбинский авиац. технол. ин - т.- Рыбинск,' 1993.— 147 е.- Деп. в ВИНИТИ 19.07.93, N 2023-В93.

2. Иванов С.И., Букатый С.А. Искажение формы кольцевой детали после упрочпения поверхностным пластическим деформированием // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций: Межвуз.Сб. / КуАИ.- Куйбышев, 1975,- Вып.2 - С. 75-79.

3. Букатый С.А. Деформации лопаток турбомашин после обработки поверхности // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций: Межвуз. Сб. / КуАИ - Куйбышев, 1976,- Вып.4,- С. 72-79.

4. Иванов С.И., Букатый С.А. Об искажении формы детали типа бруса после обработки ППД // ИВУЗ. Авиационная техника.- 1976.-N3,- С. 127-129.

5. Букатый С.А., Иванов С.И. Изменение размеров тонкостенного вала после упрочняющей обработки поверхности // Вопросы прочности и долговечности элементов авиационных конструкций: Межвуз. Сб. / КуАИ - Куйбышев, 1977,- Вып.З - С. 83-87.

6. Букатый С.А. Определение остаточных напряжений в образцах переменного сечения / КуАИ,- Куйбышев, 1978,- 8 е.- Деп. в ВИНИТИ, N 2023-78.

7. Букатый С.А. Неосесимметричные деформации кольцевых деталей после обработки поверхности / КуАИ - Куйбышев, 1978.- 15 е.- Деп. в ВИНИТИ, N 2024-78.

8. Букатый С.А., Дмитриев В.А. Определение остаточных напряжений в кольцах подшипников качения после механической обработки // Прогрессивные технологические методы повышения надежности и долговечности деталей машин и инструментов: Сб. тр. / КПтИ.- Куйбышев, 1980 - С. 99-103.

9. Букатый С.А. Деформации тонкостенных кольцевых деталей после обработки поверхности / РАТИ.- Рыбинск, 1980 - 17 е.- Деп. в ВИНИТИ 28.10.80, N 4576-80.

10. Букатый С.А. Деформации тонкостенных валов после обработки части поверхности / РАТИ - Рыбинск, 1980 - 16 е.- Деп. в ВИНИТИ 2.12.80, N 5111-80.

11. Букатый С.А. Способ упрочнения и установка, обеспечиваю! уменьшение деформаций лопаток турбомашин / РАТИ,- Рыбинск, 19£ 18 е.-Деп. в НИИЭинформэнергомаш 15.09.80., N 79-ДР.

12. Букатый С.А., Дмитриев В.А. Методическое руководство к : полнению лабораторной работы "Определение остаточных напряжез в кольцах подшипников" / КПтИ.- Куйбышев, 1981,- 16 с.

13. Иванов С.И., Букатый С.А. Общий метод определения дефор ций деталей, вызванных обработкой поверхности // ИВУЗ. Машиност ение,- 1981.- N 9.- С. 3-6.

14. Букатый С.А., Дмитриев В.А., Папшев Д.Д. Нормирование ос точных напряжений и деформаций из условия обеспечения долговеч сти подшипников // Совершенствование технологических процессов готовления деталей и сборки авиационных двигателей: Межвуз.Сб. КуАИ - Куйбыев, 1982 - С. 51-58.

15. Букатый С.А., Дмитриев В.А. Определение технологических ос точных напряжений в кольцевых деталях с произвольным сечением РАТИ.- Рыбинск, 1983 - 9 е.- Деп. в НИИМаш, N 234МШ-Д83.

16. Букатый С.А., Леонов Б.Н., Янышев П.К. Использование мел неупругости для контроля качества и работоспособности деталей // П ектирование, изготовление, эксплуатация и диагностика узлов трени. машиностроении: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф.: в 2-х ч./ Под р П.П. Усова - М.,1983 - Ч.И.- С. 81-82.

17. Букатый С.А., Дмитриев В.А., Папшев Д.Д. Влияние техноло ческих остаточных напряжений на деформации тонкостенных кольцев деталей // Вестник машиностроения.- 1984.- N 6 - С. 40-44.

18. Букатый С.А., Дмитриев В.А., Папшев Д.Д. Selection of surf; hardening regme in accrdance with admissible déformations // Достижек в поверхностной обработке.- Оксфорд (Англия): Пергамон Пресс, 198 Т.1.- С. 95-103.

19. Букатый С.А. Неразрушающий способ контроля внутренних : пряжений и стабильности свойств деталей и его применение для оптю зации технологических процессов // Состояние и перспективы развит электротехнологии: Тез. докл. Всесоюзной н.-т. конф. (Вторые Бен; досовские чтения): в 2-х т.- Иваново, 1985.-Т.2.-С. 163.

20. Букатый С.А., Дмитриев В.А., Папшев Д.Д. Определение тех: логических остаточных напряжений в кольцевых деталях цроизволы формы // Внутренние напряжения и поверхностное упрочнение.- Цш кау (ГДР), 1985.- С. 138-139.

21. Букатый С.А. Неразрушающий способ контроля размерной с

бильности деталей и его применение для оптимизации технологических процессов // Современные проблемы технологии машиностроения: Тез. докл. Всесоюзной н.-т. конференции.- М., 1986.- С. 168.

22. Букатый С.А., Дмитриев В.А. Нормирование остаточных напряжений и выбор режимов поверхностного упрочнения колец подшипников по допускаемым деформациям // Новые технологические процессы и оборудование для поверностной пластической обработки материалов: Тез. докл. Всесоюзной н.-т. конф,- Брянск, 1986.- С. 105-106.

23. Букатый С.А. Контроль дефектов структуры и остаточных напряжений в материале деталей ГТД неразрушающим способом // Конструкционная прочность двигателей: Тез. докл. XI Всесоюзн. н.-т. конф,-Куйбышев, 1988 - С. 30-31.

24. Букатый С.А. Физические основы неразрушающего метода контроля размерной стабильности деталей после объемной пластической деформации / / Повышение качества деталей машин пластическим деформированием: Тез. докл. Республиканской н.-т. конф,- Фрунзе, 1988-С. 86-87.

25. Букатый С.А. Общий подход к определению остаточных деформаций деталей после упрочнения поверхностным и объемным пластическим деформированием // Повышение качества деталей машин пластическим деформированием: Тез. докл. респ. н.-т. конф.- Фрунзе, 1988.- С. 88-90.

26. Букатый С.А. Эффект температурной зависимости физических свойств материалов и его применение для оптимизации технологических процессов и контроля качества деталей // Теплофизика технологических процессов. Раздел II. Теплофизика обработки металлов давлением: Тез. докл. VII Всесоюзн. н.-т. конф,- Тольятти, 1988.- С. 62.

27. Букатый С. А. Физические основы неразрушающего метода контроля внутренних напряжений и размерной стабильности деталей на основе теплового воздействия // Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля: Тез. докл. Всесоюзной н.-т. конф.: в 2-х ч - Могилев, Минск, 1989 - Ч.П.- С. 135.

28. Букатый С.А. Повышение точности и размерной стабильности деталей на основе использования эффекта нелинейности температурных характеристик материала // Актуальные проблемы машиностроения: Труды республ. н. -т. конф. по проблемам машиностроения Казахстана,- Алма-Ата: Наука, 1989.- С. 95.

29. Букатый С.А. Неразрушающий контроль внутренних напряжений и размерной стабильности материала лопаток ГТД // Авиационная промышленность - 1989,- N 4,- С. 21-22.

30. Букатый С.А., Дмитриев В.А., Папшев Д.Д. Оптимизация жимов упрочнения по допускаемым деформациям деталей // Весть машиностроения.- 1990.- N 8.- С. 58-61.

31. Букатый С.А. Контроль внутренних напряжений и размер! стабильности материалов неразрушающим способом // Конструкции ная прочность двигателей: Тез. докл. XIII Всесоюзн. н.-т. конф.- Саг ра, 1991,-С. 10-11 .

3'2. Букатый С.А., Семенченко И.В. Коробление и размерная стаби. ность маложестких тонкостенных деталей в производстве газотурбинн двигателей // Вестник машиностроения - 1994.- N 10.- С. 32-37.

33. Букатый С.А. Физические основы неразрутающего метода и; гнозирования стабильности размеров и формы деталей и его примени для совершенствования технологических процессов // Вестник Верх, волжского отд. Академии технологических наук РФ. Сер. Высокие т нологии в машиностроении и приборостроению!.- Вып. 2: Сб. науч. ■ / РГАТА,- Рыбинск, 1995,- С. 51-57.

34. Букатый С.А., Малышев В.А., Радчик И.С. Сплайн - аппрок мация экспериментальных данных в неразрушающем контроле разм( ной стабильности материалов и деталей // Теплофизика технологи1 ских процессов: Тез. докл. IX Российской н.-т. конференции: в 2-х Под ред. В.Ф. Безъязычного - Рыбинск: РГАТА, 1996 - Ч.1.- С. 96-97.

35. A.c. 768261 СССР, МКИ3 С21Д 7/06. Способ поверхностно упрочнения / Букатый С.А. (СССР).- 7 е.: ил.

36. A.c. 820084 СССР, МКИ3 В24с 3/08. Дробеструйная установ для упрочнения лопаток / Букатый С. А., Топоркова JI. И. (СССР).-7с.:

37. A.c. 896481 СССР, МКИ3 G01N3/00. Способ определения степе неупругости материала / Янышев П.К., Букатый С.А., (СССР).-Зс.п

38. A.c. 996855 СССР, МКИ3 G01B 5/30. Способ определения остатс пых напряжений в кольцевых деталях / Букатый С.А., Дмитриев В.. Папшев Д.Д. (СССР).- 4 с. : ил.

39. A.c. 1157427 А СССР, МКИ3 G01N 25/16. Способ определен внутренних напряжений в материалах / Букатый С.А., (СССР).-З с.: i

40. A.c. 1238893 СССР, МКИ3 G01H 1/00. Способ настройки т. нологического процесса / Букатый С.А., Леонов Б.Н., Семенченко И. Янышев П.К., (СССР).- 5 с. : ил.

41. A.c. 1259143 СССР, МКИ3 G01N 3/32. Способ контроля качест стабилизации механических свойств и размеров деталей и устройство д его осуществления / Букатый С.А., Леонов Б.Н., Семенченко И.В., Ян шев П.К., (СССР).- 3 с. : ил. ^^Л