автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы диагностики процесса фрезерования ответственных деталей типа моноколес

Семенов Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ТИПА МОНОКОЛЕС

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» Государственного образовательного учреждения Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шварцбург Леонид Эфраимович

кандидат технических наук, доцент Шеметов Михаил Георгиевич

Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество

«ВНИИинструмент»

Защита состоится «16» декабря 2004 года в_часов на заседании диссертационного совета К212.142.01 в Государственном образовательном учреждении Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055, ГСП-4, Москва, Вадковский пер., За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГТУ «СТАНКИН». Автореферат разослан «15» ноября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Тарарин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Тенденции развития современного газотурбинного двигателестроения определяются созданием высоконапорных широкохордных ступеней компрессоров. Использование таких ступеней позволяет значительно сократить суммарное число ступеней компрессора при сохранении заданной степени сжатия и требуемого КПД.

Вместе с тем, создание широкохордных колес компрессора связано с необходимостью решения целого ряда проблем прочностного характера и, в первую очередь, это касается задачи соединения лопатки с диском. В большинстве случаев использование традиционных решений замковых соединений в виде ласточкина хвоста или елочного замка для широкохордных лопаток бывает крайне затруднительно. В этом случае наиболее выгодным является создание рабочих колес компрессора, получивших название «блисков» и представляющих собой осевое моноколесо в котором диск и лопатки изготовлены как одно целое. Сегодня формообразование сложнопрофильных поверхностей блисков с длиной пера лопатки более 100 мм является одной из наиболее сложных и актуальных проблем современного двигателестроения.

В настоящее время одним из наиболее эффективных способов обеспечения качества и сокращения времени изготовления дорогих и ответственных деталей типа блиск, является использование систем диагностики, предназначенных для получения достоверной информации о текущем состоянии процесса резания и принятия на ее основе необходимых управляющих решений.

Цель работы.

Разработка автоматизированной системы многопараметрической диагностики процесса фрезерования профиля лопаток для обеспечения заданного качества ответственных деталей типа блиск.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

• проанализирован технологический процесс изготовления блисков из титанового сплава и определены области эффективного применения системы диагностики;

• разработаны технические требования к системе диагностики получистового и чистового фрезерования лопаток блисков;

• разработана автоматизированная система измерения физических параметров процесса фрезерования блисков;

• разработана методика контроля образования дефектов в виде волнистости в процессе фрезерования блисков;

• разработан алгоритм управления процессом фрезерования лопаток блисков с целью предотвращения появления дефектов в виде зарезов.

• разработаны рекомендации по выбору числа оборотов фрезы в зависимости от резонансных характеристик инструмента и детали.

Общая методика исследований.

В работе использовались основные положения теории резания материалов и теории сигналов, методики определения физических характеристик процесса резания, а также современные средства для их измерения. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики и теории вероятности.

Научная новизна работы

• разработана математическая модель зависимости формы и спектра мгновенных значений силы резания от условий операции фрезерования профиля лопаток из титановых сплавов;

• предложен новый диагностический признак (длительность мгновенных значений силы резания) для оценки состояния процесса фрезерования нежестких деталей;

• разработан алгоритм управления процессом фрезерования нежестких деталей, предотвращающий появление различных дефектов при их обработке.

Практическая ценность

• разработана специализированная измерительная аппаратура и программное обеспечение многопараметрической диагностики процессов резания;

• разработаны рекомендации по выбору режимов фрезерования лопаток блисков с целью уменьшения уровня вибраций в процессе резания;

• разработана методика контроля образования дефектов в виде волнистости в процессе фрезерования лопаток блисков.

Реализация результатов работы

• Разработана и внедрена специализированная системы мониторинга технологических операций обработки резанием в ОАО «НИАТ».

• Проведены исследование влияния вибраций на качество финишного фрезерования блисков на станке Liechti Turboblisk на ММПП «Салют».

• Разработано техническое задание на систему сбора технологической информации для ММПП «Салют».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристика, формулируется научная и практическая значимость, кратко раскрывается содержание разделов.

В первой главе проведен анализ технологических проблем и особенностей фрезерования титановых сплавов, рассмотрена применяющаяся в настоящее время в промышленности технология изготовления блисков с использова-

нием высокоскоростного фрезерования. На основе анализа показателей качества и последовательности технологических операций обработки блисков определены функции системы диагностики. Приведен обзор научно-технической информации, посвященной методам и средствам технической диагностики, и на его основе выбраны физические параметры, наиболее полно характеризующие состояние процесса резания.

На рис. 1 представлен общий вид блиска из титанового сплава, который в настоящее время на большинстве отечественных предприятий изготавливается путем фрезерования лопаток в монолитной заготовке. Наиболее ответственными при изготовлении блисков являются операции формирования профиля пера лопатки.

Рис. 1. Общий вид блиска (осевого моноколеса).

Сплавы на титановой основе являются одним из перспективных материалов для получения качественных деталей ответственного назначения. Они применяются там, где требуется высокая жаропрочность, высокие механические свойства, коррозионная стойкость и небольшой удельный вес деталей. К деталям из титановых сплавов предъявляются высокие требования в отношении усталостной прочности, надежности и других характеристик. Важно при выполнении окончательных операций обработки деталей из титановых сплавов обеспечивать необходимое качество поверхностного слоя, которое в значительной степени определяет способность деталей удовлетворять эксплуатационном требованиям. 4

Титановые сплавы обладают специфическими свойствами и особенностями структуры, которые определяют низкая обрабатываемость резанием. Низкая теплопроводность обуславливает высокие температуры в зоне резания. Низкий модуль упругости, означает повышенную склонность титановых сплавов к упругому деформированию и обуславливает при резании возникновение значительных упругих деформаций. Специфическим и весьма характерным свойством титана и его сплавов является чрезвычайно высокая химическая активность в условиях повышенной температуры резания, при которой они энергично взаимодействуют с водородом, кислородом и инструментальным материалом, что так же ухудшает обрабатываемость резанием. Титановые сплавы часто содержат включения в виде окислов нитридов и карбидов, которые обладают высокими абразивными свойствами и способствуют ускоренному износу режущего инструмента.

Фрезерование является наиболее распространенным способом получения блисков в условиях мелкосерийного производства. На первом этапе этой технологии создается математическая модель изделия, для чего могут применяться системы UNIGRAPHICS, CATIA и т.д. Далее выбирается определенная последовательность операций, стратегии для обработки, и на ее основе производится подготовка управляющих программ.

Типовая стратегия обработки блиска фрезерованием содержит следующие этапы:

• черновая выборка межлопаточного пространства;

• получистовая спиральная обработка профиля пера лопатки;

• чистовая спиральная обработка профиля пера лопатки;

• чистовая обработка ступицы и радиуса сопряжения ступицы и пера • лопатки;

• контроль геометрии профиля пера лопатки в заданных сечениях.

После генерации управляющих программ производится их наладка и тестирование с использованием программных эмуляторов оборудования и математической модели с целью получения заданной формы изделия. Режимы фрезе-

рования выбираются на основании общих рекомендаций по обработке титана. Уточнение режимов для получистового и чистового фрезерования, а также размерная коррекция отжима нежестких элементов детали и инструмента производится непосредственно на детали в начальной стадии производства. Способов имитации деталей типа блиск для решения задач технологической наладки в настоящее время не существует.

Черновая выборка межлопаточного пространства выполняется на отечественных фрезерных станках типа ДФ-224Р, ДФ-966, MA 655C5H. Получистовая и чистовая спиральная обработка профиля пера лопатки, обработка ступицы и радиуса сопряжения, а так же контроль геометрии выполняется на высокоскоростном пяти-координатном фрезерном станке фирмы Liechti. Фрезерование выполняется коническими твердосплавными фрезами со спиральным и боковым входом инструмента. Учитывая высокую стоимость детали, замена инструмента производится принудительно, что практически исключает влияние его износа на получаемую геометрию и качество поверхности. Для контроля геометрии профиля пера лопатки в заданных сечениях на фрезерном станке вместо обрабатывающего инструмента устанавливается контрольная измерительная головка. Далее деталь подвергается окончательной безразмерной обработке в среде свободного абразива, где получают требуемую шероховатость поверхностей. После получистовой и чистовой обработки деталь снимается со станка и производится визуальный контроль наличия волнистости и зарезов. При обнаружении дефектов выполняется слесарная доводка блисков.

Наиболее сложными и ответственными являются операции получистовой и чистовой обработки профиля пера лопатки. Из-за большого уровня вибраций, вызванного низкой жесткостью детали и инструмента, возникают характерные дефекты в виде волнистости и зарезов. Для увеличения жесткости межлопаточное пространство заполнялось специальной демпфирующей массой, однако демпфирование не исключает вибрации полностью. При удалении демпфирующей массы, по мере перемещения инструмента в процессе резания от периферии лопатки к ободу диска, проявляются вибрации детали. Далее по мере приближения

к ступице блиска более отчетливо проявляются вибрации инструмента. Указанные дефекты в большинстве случаев возникают на операции получистовой обработки, где происходит выравнивание припуска после чернового, перед чистовым фрезерованием. Здесь наблюдается ярко выраженная нестационарность процесса фрезерования.

Существенно повысить надежность и качество процесса изготовления блисков можно за счет применения систем технической диагностики, которые могут использоваться как для активного контроля процесса фрезерования, так и для выбора оптимальных режимов резания. В существующей практике для диагностики процесса фрезерования используются измерения составляющих силы резания, уровня вибраций, акустической эмиссии и т.д. Простой расчет показывает, что при 15 тысячах оборотах в минуту, а именно на таких оборотах производится фрезерование блисков, каждый из четырех зубьев фрезы находится в контакте с деталью 1 мс. С учетом информативных спектральных компонент, временное разрешение измеряемых физических параметров или их совокупности должно составлять не менее 0,2 мс что соответствует информативной ширине спектра 5 кГц.

В настоящей работе для проведения исследований и построения системы диагностики использовались следующие физические величины - составляющие силы резания, виброускорение и амплитуда акустической эмиссии.

При проведении анализа использовались работы В.А. Синопальникова, А.А. Барзова, А.В. Кибальченко, М.П. Козочкина, А.В. Пуша, а также документация по системам диагностики фирм «Prometec» и «Kistler».

Во второй главе приведена разработанная математическая модель зависимости формы и спектра составляющих мгновенной силы резания от условий операции фрезерования, на основе которой определены характеристики диагностической аппаратуры и программного обеспечения.

Для исследования и расчета мгновенной силы резания использовалась методика, разработанная в МГТУ «СТАНКИН» на кафедре ВТО. Анализ ре-

зультатов проведенных исследований показал, что при фрезеровании титановых сплавов данная методика позволяет объективно оценивать направления действия векторов сил во время рабочего хода фрезы, а также максимальные значения составляющих силы резания.

Были получены следующие зависимости силовых параметров процесса фрезерования от факторов процесса:

где В^ - значение фактора В при повороте фрезы на угол

- номинальное значение срезаемого слоя при повороте точки нахождения результирующего вектора силы на угол ¿¡¡, которое находится по фор-

подача на зуб.

Мгновенные значения а^ и В^ определяются соответственно углами поворота ¿¡I и ¡//¡.

Исследования показали, что для встречной и попутной схемы фрезерования коэффициенты и степени значительно не меняются, поэтому данные формулы могут применяться для обеих схем. Коэффициенты * и * учитывают влияние физико-механических свойств инструментального, обрабатываемого материала.

Составляющие силы резания Рг и ^являются основополагающими силовыми параметрами, поскольку проекции их векторов на квазинеподвижную систему координат, определяют величину и направление векторов Математические модели функциональных зависимостей векторов сил находятся из анализа систем векторов сил, представленных на рис. 2.

Гг = 170- Б0;96 • 42 • кР + 10- В0-! ■ ■ /г0'15 • У

АI С/ Ч ¥{ з

/V, = 200 • В0^6 • д|;84 • к& + 120 • В™ ■ а°:5 • А"'44

0,15

Рис. 2. Схема векторов сил, действующих на зуб фрезы при встречном (а) и попутном (б) фрезеровании.

Для встречной схемы фрезерования (рис. 2а):

К, = К, +Fy¡ sin£; Fv¡ = Fz¡ sin - Fy¡ cos £

Для попутной схемы фрезерования (рис. 26):

Мгновенные значения составляющих силы, полу- Спектр мгновенных значений состав-ченные расчетным способом. ляющих силы.

Рис. 3. Значения формы и спектра сил процесса попутного фрезерования.

В модель были внесены изменения, позволяющие рассчитывать мгновенные значения силы для концевых фрез с радиусной режущей кромкой. На основании приведенных зависимостей были рассчитаны спектральные компоненты

процесса фрезерования. Расчет зависимости формы и спектра сил проводился для типовых режимов обработки пера лопатки блиска. В качестве примера на рис. 3. представлены значения формы и спектра сил процесса попутного фрезерования.

В третьей главе описан многопараметрический автоматизированный стенд для научных исследований обработки резанием и моделирования работы специализированных диагностических устройств.

В состав стенда входят (рис. 4): измеритель сигналов акустической эмиссии; измеритель составляющих силы резания; трехканальный измеритель вибраций; многоканальный аналого-цифровой преобразователь; персональный компьютер и программное обеспечение приема и обработки данных.

Рис. 4. Функциональная схема автоматизированного стенда.

Измеритель сигналов акустической эмиссии (АЭ) регистрирует акустические сигналы, возникающие в зоне механической обработки в частотном диапазоне от 30 до 1500 кГц. Суммарный коэффициент усиления устройства составляет 100 dB, уровень собственных шумов, приведенный к входу в указанном диапазоне частот не более 5 мкВ.

Предварительный усилитель (ПУ) устройства имеет два исполнения -внешнее и встроенное в пьезоэлектрический преобразователь. Расстояние от предварительного усилителя до измерительного модуля 5 метров. Дальнейший аналоговый тракт измерителя АЭ спроектирован с учетом большого динамического диапазона входного сигнала. В каждом из трех последовательных каскадов усиления предусмотрена индикация перегрузки. Между каскадами усиления установлены пассивные полосовые фильтры высокой и низкой частоты, предназначенные для дискретного выбора исследуемой полосы рабочих частот сигналов АЭ. На рис. 5 представлена АЧХ датчика акустической эмиссии.

вв -------------.--.-

во -.-------- .

го —Х-------

«о I ■ I ■ I • I - I ■ I ■

50 200 АОО вОО 800 1000 КЩ

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика датчика АЭ.

Коммутация коэффициента усиления и полосы пропускания фильтров осуществляться с помощью электронных переключателей. Наличие цифровых выходов индикаторов перегрузки, электронная коммутация и малое время релаксации усилительного тракта позволяют в автоматическом режиме настраивать параметры устройства в зависимости от уровня входного сигнала. На выходе усилительного тракта установлен среднеквадратичный детектор с переменным временем интегрирования, которое изменяется в диапазоне от 0,1 до 1000 мс. Для последующего анализа может быть использован как непосредственно сигнал АЭ с выхода усилителя, так и его среднеквадратичная амплитуда.

В качестве датчика для измерения составляющих силы резания используются динамометры типа УДМ-100 (600) или их аналоги. С помощью динамометра измеряются составляющие силы Рх, Ру, Pz и крутящий момент М. Принцип действия измерителя на приеме и усилении малых дифференциальных сигналов, поступающих от измерительного моста сопротивлений, в два плеча которого включены тензорезисторы, заключается в следующем. Измерительный мост возбуждается высокостабильным генератором синусоидального напряжения с частотой 5 кГц. Далее разностный сигнал усиливается, фильтруется полосовым фильтром с целью уменьшения помех и наводок и детектируется. Балансировка измерительных трактов и регулировка коэффициентов усиления осуществляется потенциометрами и переключателями, расположенными на передней панели модуля. Диапазон рабочих частот устройства от 0 до 500 Гц, точность измерения определяется параметрами используемого преобразователя.

Для измерения вибраций используются однокомпонентные акселерометры с присоединенной массой типа К035. Диапазон рабочих частот от 3 до 8000 Гц, коэффициент передачи 5 пК/(м*сек"2). Сигнал с акселерометра поступает на внешний усилитель заряда и далее на фильтр нижних частот с частотой среза 8 кГц, расположенный в основном измерительном модуле. Расстояние от основного модуля до усилителя заряда 5 метров.

Аналоговые сигналы с измерительных модулей, преобразуются в цифровой вид и передаются по цифровому каналу в персональный компьютер, где полученная информация сохраняется и обрабатывается.

Прием данных осуществляется одновременно от нескольких источников, но при этом общее число каналов не может быть более 16-ти. Дискретность преобразования составляет 14 разрядов, что соответствует цене деления 0,0024 В при входном напряжении ±10 В.

Универсальный модуль сбора данных (УМСД) обеспечивает максимальную скорость 400 тыс. преобразований в секунду. В дополнение к вводу аналоговых сигналов модуль имеет возможность осуществлять ввод/вывод цифровых сигналов. Он ориентирован на использование элементов измерительной аппа-

ратуры в производственных условиях, моделирование устройств контроля и управления технологическими объектами. Помимо специализированного программного обеспечения УМСД может работать под управлением интегрированного пакета Lab VIEW фирмы National Instruments (США). При выполнении настоящей работы универсальный модуль использовался и в качестве отладочного устройства.

В автоматизированном стенде может быть использован персональный компьютер, имеющий процессор с частотой не менее 1,5 ГГц, оперативную память не менее 256 МБ, жесткий диск не менее 60 ГБ, интерфейс USB 2,0. Операционная система Windows 2000/XP.

Программное обеспечение (ПО) стенда разрабатывалось с учетом возможности решения широкого круга задач от проведения научных исследований до имитации систем управления технологическими объектами.

ПО стенда позволяет осуществлять настройку условий эксперимента, хранение и поиск нужного сценария в базе данных, проводить измерения в реальном масштабе времени с одновременной архивацией и визуализацией фрагментов экспериментальных данных, просматривать и анализировать результаты. В реальном масштабе времени производится первичная математическая обработка и допусковый контроль значений измеряемых параметров. Вся информация сохраняется в формате базы данных и доступна для последующей обработки и анализа. В состав входит программное обеспечение вторичной обработки и визуализации результатов измерений. ПО стенда выполнено по модульному принципу и включает:

• программу подготовки и проведения эксперимента;

• программу послесеансного просмотра и предварительной обработки данных;

• драйверы УМСД для работы в интегрированной среде LabVIEW;

• программы тестирования и наладки системы.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования формы и спектра сигналов на операции фрезерования и алгоритм контроля образования волнистости и управления процессом фрезерования с целью недопущения дефектов в виде зарезов. Сформулированы технические требования на специализированную систему диагностики получистового и чистового фрезерования профиля лопаток блисков.

Экспериментальные исследования показали, что определить образование волнистости и зарезов в процессе фрезерования возможно путем оценки времени контакта единичного зуба фрезы с деталью. Если измеряемая длительность контакта больше расчетной, то увеличивается глубина резания вследствие колебаний элементов технологической системы или по другим причинам. Результатом локального увеличения глубины резания являются дефекты в виде волнистости, а значительного увеличения - дефекты в виде зарезов.

Анализ математической модели и экспериментальные исследования показали, что ширина спектра мгновенного силового взаимодействия режущей кромки фрезы с заготовкой на типовых режимах обработки составляет около 5 кГц. На таких частотах невозможно применение динамометров из-за их инерционности. Помимо того конструктивнее особенности динамометров, в том числе и вращающихся не позволяют их использовать на станке ЫесШ Тиг-ЬоЬКзк. Для анализа быстропротекающих процессов взаимодействия инструмента и детали целесообразно использовать измерение виброускорения и акустической эмиссии.

Уровень вибраций характеризует колебания нежестких элементов оборудования - инструмента и детали, вызванные переменными компонентами составляющих силы резания. Наличие большого количества источников различных колебаний и зависимость их характеристик от взаимного расположения инструмента и детали крайне затрудняет выделение полезного сигнала характеризующего длительность контакта зуба фрезы. Наиболее предпочтительно для измерения указанного параметра использовать амплитуду акустической эмиссии (АЭ), источником которой является непосредственно зона резания.

На основании комплекса проведенных исследований был разработан алгоритм, позволяющий осуществлять контроль образования волнистости и управлять скоростью подачи в процессе фрезерования с целью недопущения дефектов в виде зарезов (Рис. 6.).

Рис. 6. Алгоритм контроля и управления процессом фрезерования.

В процессе фрезерования измеряется амплитуда АЭ Uae. Если она не превышает установленный порог иОае (десятикратный уровень шума аппаратуры), сбрасывается таймер Т1. Если Т1 не сбрасывается за время Ti (примерно в три раза больше расчетного времени контакта), система сообщает о локальном увеличении глубины резания, что проявляется как волнистость. Если Т1 не сбрасывается за время Тс (примерно в 7-10 раз больше расчетного времени контакта), система измеряет амплитуду вибраций Uv и устанавливает ее значение в качестве уровня сравнения UOv, сбрасывается таймер Т2, дает команду ЧПУ на снижение подачи на 10-20%. Далее если за время Та (от 0,1 до 0,5с) амплитуда вибраций Uv падает ниже UOv, дается команда на восстановление рабочей подачи, в противном случае фрезерование необходимо остановить. Указанные числовые значения являются приближенными, их конкретные значения подбираются при наладке операции.

Разработаны технические требования на устройство измерения виброускорения и акустической эмиссии в реальных производственных условиях. Отличительной особенностью устройства является использование беспроводного интерфейса передачи данных Bluetooth. Такое решение позволяет располагать измерительное устройство в непосредственной близости от датчиков, установленных на заготовке, на обрабатывающем центре Liechti Turboblisk и ему подобным. По мере обработки заготовка многократно поворачивается вокруг своей оси.

В пятой главе приведены экспериментальные исследования вибраций при обработке пера лопатки блиска и рекомендации по выбору условий обработки.

Целью экспериментальных исследований было выявление основных источников вибраций, возникающих при фрезеровании лопаток блиска. Полученная в результате исследований информация необходима для разработки эффективных мероприятий по снижению воздействия вибрации на качество готового изделия.

На станке были установлены два акселерометра. Один был смонтирован на корпусе приспособления, в котором закреплялась обрабатываемая деталь. Второй был установлен на торце шпинделя, в котором закреплялась фреза. Собственные частоты упругой системы станка определялись со стороны детали и со стороны инструмента на неподвижном оборудовании путем простукивания динамометрическим молотком.

Основной тон фрезы находится в районе 620 Гц, имеется и более высокочастотная составляющая 2670 Гц, но она значительно меньше по амплитуде. Наиболее интенсивные колебания лопатки без нанесения демпфирующего материала происходят на частоте 1790 Гц, но есть и дополнительные составляющие на частотах 268 Гц и 2950 Гц. Нанесение демпфирующего материала значительно увеличивает логарифмический декремент колебаний и существенно изменяет спектр собственных частот колебаний детали. Частота основного тона становится равной 2118 Гц, появляется составляющая в районе 820 Гц, но сохраняется составляющая в районе 270 Гц.

В процессе обработки детали на нее оказывают возмущающее воздействие вынужденные колебания со стороны кинематики станка и зубьев фрезы. Возмущающие воздействия могут вызывать и собственные колебания элементов упругой системы. Результаты показывают, что в начальной фазе обработки собственные частоты элементов упругой системы проявляют себя слабо. На процесс резания основное влияние оказывают колебания, связанные с частотой контакта зуба фрезы. С удалением демпфирующего материала проявляются и колебания на собственных частотах фрезы и лопатки. Колебания на собственных частотах модулируются с частотой контакта зуба, создавая сложную спектральную картину. В течение всей обработки можно наблюдать картину неравномерной работы зубьев фрезы. При малых значениях припуска в работе может участвовать только один зуб.

Проведенные эксперименты показали целесообразность использования аппаратуры для измерения вибраций в задачах наладки технологических операций обработки сложных и ответственных деталей. На стадии подготовки про-

изводства, изготавливая оснастку и выбирая инструмент необходимо исследовать их вибрационные характеристики. При назначении режимов резания следует следить за тем, чтобы частоты вращения шпинделя и врезания зубьев фрезы не совпадали с собственными частотами колебаний инструмента, оснастки и детали.

Общие выводы по работе

1. В результате выполнения комплекса научно-исследовательских работ, разработана автоматизированная система диагностики, обеспечивающая получение оперативной и достоверной информации о процессе фрезерования бли-сков из титановых сплавов.

2. На основе проведенных исследований разработана математическая модель зависимости формы и спектра мгновенных значений силы резания от условий фрезерования, позволяющая рассчитывать мгновенные значения составляющих силы резания при фрезеровании деталей из титановых сплавов.

3. Экспериментально установлено, что длительность мгновенного значения составляющих силы при образовании дефектов типа волнистость и зарез увеличивается от 3 до 10 раз. Ее изменение является информативным косвенным признаком развития указанных дефектов при обработке нежестких деталей из титановых сплавов.

4. На основе изучения динамики мгновенных силовых параметров при фрезеровании, предложен способ контроля развития дефектов типа волнистость и зарез путем измерения временных характеристик импульсов акустической эмиссии.

5. Разработанный алгоритм управления процессом фрезерования, основанный на оценке длительности мгновенных значений составляющих силы, позволяет обеспечивать заданное качество процесса фрезерования лопаток бли-сков за счет предотвращения дефектов типа зарез.

6. Разработанные рекомендации по выбору числа оборотов фрезы в зависимости от резонансных характеристик инструмента и детали, позволяют снизить уровень вибраций при фрезеровании.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Горелов В. А., Семенов В. А., Чугрин Г. В. Системы активного контроля износа режущего инструмента. // Авиационная промышленность. Приложение 2,1986 г., с. 6-9.

2. Горелов В.А., Семенов В.А., Чугрин Г.В. Принципы построения автоматизированных диагностических комплексов. // Технология авиационного двигателестроения № 1,1988 г. - с. 15-18.

3. Горелов В.А., Семенов В.А. Технологические возможности диагностических стендов на базе микро-ЭВМ // Технология авиационного двигателестроения № 1,1988 г. - с. 23-25.

4. Горелов В.А., Семенов В.А., Тришкин СВ. Автоматизированная диагностическая система контроля процесса механической обработки. // Технология авиационного двигателестроения № 1,1988 г. - с. 59-61.

5. Горелов В.А., Семенов В.А., Чугрин Г.В. Устройство для измерения амплитуды АЭ в процессе резания. // А.с. СССР № 1349492, в01 N29/04, 11.07.85

6. Горелов В.А., Семенов В.А., Чугрин Г.В. Способ контроля износа режущего инструмента. // А.с. СССР № 1408632, В23 В25/06, В23 915/00,02.10.86.

7. Горелов В.А., Семенов В.А., Чугрин Г.В. Устройство для контроля состояния режущего инструмента, // А.с. СССР № 1422837, в01 N3/58, 02.10.86.

8. Акимочкин В.П, Барзов А.А., Вдовин А.А., Горелов ВА, Повзун В.П., Семенов В.А. Способ контроля износа инструмента и устройство для его осуществления. // А.с. СССР № 1389991, В23 915/00, В23 В49/00,29.10.86.

9. Григорьев С.Н., Турин В.Д., Геранюшкин А.В., Семенов В.А. Техническая диагностика как способ повышения надежности режущего инструмента с износостойкими покрытиями // Технологии и оборудование для нанесения износостойких, твердых и коррозионностойких покрытий: Материалы все-

российской научно-практической конференции и выставки. Москва: РХТУ, 2004. - С 52-53.

10. Григорьев С.Н., Семенов В.А. Повышение надежности режущего инструмента путем автоматизированной оценки его текущего состояния // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды». Бийск, 6-7 июля 2004 г., с. 40-43.

11. Григорьев С.Н., Турин В.Д., Геранюшкин А.В., Семенов В.А., Божинский А.В. Проведение исследований в области обработки материалов резанием с применением средств технической диагностики // Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Информационные технологии в экономике, науке и образовании». Бийск, 22-23 апреля 2004г., с. 132136.

12. Григорьев С.Н., Семенов В.А. Создание диагностического стенда для определения оптимальных условий размерной обработки деталей газотурбинных двигателей // Материалы Международной научно-практической конференции «Производство Технология Экология». Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2004г., том 2, с. 549 - 554.

13. Семенов В.А. Разработка диагностической системы с целью оптимизации условий точения труднообрабатываемых материалов в авиационной промышленности // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». Бийск, 7-8 октября 2004г., с. 77-79.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Семенов Владимир Александрович

Разработка автоматизированной системы диагностики процесса фрезерования ответственных деталей типа моноколес

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 0741 Подписано в печать 15.11.2004. Формат 60/90'/16 Уч.изд.л.1,5. Тираж 50 экз. Заказ № 217

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер. д.3а

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ, 7 ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Разработка ключевых технологий для создания нового по- 7 коления газотурбинных двигателей

1.2. Особенности обработки резанием титановых сплавов

1.3. Технология изготовления блисков

1.4. Диагностика - способ повышение надежности и качества 16 ответственных технологических операций

1.5. Параметры процесса резания и параметров диагностики

1.6. Постановка цели и задач исследований

2. РАСЧЕТ ФОРМЫ И СПЕКТРА МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕ- 27 НИЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ

2.1. Методика расчета силовых параметров при фрезеровании

2.2. Построение математических моделей влияния факторов 34 процесса на составляющие силы резания

2.3. Анализ составляющих силы резания 40*

3. МНОГОПАРАМЕТРОВЫЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ 48 СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ

3.1. Измерительная аппаратура

3.1.1. Функциональная схема стенда

3.1.2. Измеритель сигналов акустической эмиссии ^

3.1.3. Измеритель силовых параметров

3.1.4. Трехканальный измеритель вибраций

3.1.5. Универсальный модуль сбора данных 5 у

3.2. Программное обеспечение для приема и предварительной ^ обработки данных

3.2.1. Структура программного обеспечения

3.2.2. Программа подготовки и проведения эксперимента (In

3.2.3. Программа просмотра и предварительной обработки 70 данных (ViewDat)

3.2.4. Использование Lab VIEW при работе с УМСД

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕ- 82 НИЯ ПРОЦЕССОМ ФРЕЗЕРОВАНИЯ

4.1. Экспериментальные исследования формы и спектра сиг- 82 налов на операции фрезерования

4.2. Алгоритм контроля образования волнистости и управле- 94 ния процессом фрезерования с целью недопущения дефектов в виде зарезов

4.3. Технические требования на специализированную систему 96 диагностики получистового и чистового фрезерования профиля лопаток блисков

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПЕРА 99 ЛОПАТКИ

5.1. Условия проведения экспериментов

5.2. Определение собственных частот элементов упругой сис- 100 темы станка

5.3. Исследования вибраций, возникающих в процессе обра- 108 ботки детали

5.4. Снижение вибраций при обработке лопаток блиска

Тенденции развития современного газотурбинного двигателестроения определяются созданием высоконапорных широкохордных ступеней компрессоров. Использование таких ступеней позволяет значительно сократить суммарное число ступеней компрессора при сохранении заданной степени сжатия и требуемого КПД.

Вместе с тем, создание широкохордных колес компрессора связано с необходимостью решения целого ряда проблем прочностного характера и, в первую очередь, это касается задачи соединения лопатки с диском. В большинстве случаев использование традиционных решений замковых соединений в виде ласточкина хвоста или елочного замка для широкохордных лопаток бывает крайне затруднительно. В этом случае наиболее выгодным является создание рабочих колес компрессора, получивших название «блисков» и представляющих собой осевое моноколесо в котором диск и лопатки изготовлены как одно целое. Сегодня формообразование сложнопрофильных поверхностей блисков с длиной пера лопатки более 100 мм является одной из наиболее сложных и актуальных проблем современного двигателестроения.

В настоящее время одним из наиболее эффективных способов обеспечения качества и сокращения времени изготовления дорогих и ответственных деталей типа блиск, является использование систем диагностики, предназначенных для получения достоверной информации о текущем состоянии процесса резания и принятия на ее основе необходимых управляющих решений.

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в разработке автоматизированной системы многопараметрической диагностики процесса фрезерования профиля лопаток для обеспечения заданного качества ответственных деталей типа блиск.

Для решения поставленной цели, в работе были решены следующие задачи:

• проанализирован технологический процесс изготовления блисков из титанового сплава и определены области эффективного применения системы диагностики;

• разработаны технические требования к системе диагностики получистового и чистового фрезерования лопаток блисков;

• разработана автоматизированная система измерения физических параметров процесса фрезерования блисков;

• разработана методика контроля образования дефектов в виде волнистости в процессе фрезерования блисков;

• разработан алгоритм управления процессом фрезерования лопаток блисков с целью предотвращения появления дефектов в виде заре-зов.

• разработаны рекомендации по выбору числа оборотов фрезы в зависимости от резонансных характеристик инструмента и детали.

При решении перечисленных задач были получены следующие научные и практические результаты.

Научная новизна работы заключается в:

• разработке математической модели зависимости формы и спектра мгновенных значений силы резания от условий операции фрезерования профиля лопаток из титановых сплавов;

• предложении нового диагностического признака (длительность мгновенных значений силы резания) для оценки состояния процесса фрезерования нежестких деталей;

• разработке алгоритма управления процессом фрезерования нежестких деталей, предотвращающего появление различных дефектов при их обработке.

Практическая ценность работы состоит в:

• разработке специализированной измерительной аппаратуры и программное обеспечение многопараметрической диагностики процессов резания;

• разработке рекомендаций по выбору режимов фрезерования лопаток блисков с целью уменьшения уровня вибраций в процессе резания;

• разработке методики контроля образования дефектов в виде волнистости в процессе фрезерования лопаток блисков.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН».

Результаты работы использованы при разработке и внедрении специализированной системы мониторинга технологических операций обработки резанием в ОАО «НИАТ», в техническом задании на систему сбора технологической информации для ММПП «Салют».

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, заместителю главного технолога, начальнику ЦТО ММПП «Салют» профессору, к.т.н В.А. Горелову, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате выполнения комплекса научно-исследовательских работ, разработана автоматизированная система диагностики, обеспечивающая получение оперативной и достоверной информации о процессе фрезерования блисков из титановых сплавов.

2. На основе проведенных исследований разработана математическая модель зависимости формы и спектра мгновенных значений силы резания от условий фрезерования, позволяющая рассчитывать мгновенные значения составляющих силы резания при фрезеровании деталей из титановых сплавов.

3. Экспериментально установлено, что длительность мгновенного значения составляющих силы при образовании дефектов типа волнистость и зарез увеличивается от 3 до 10 раз. Ее изменение является информативным косвенным признаком развития указанных дефектов при обработке нежестких деталей из титановых сплавов.

4. На основе изучения динамики мгновенных силовых параметров при фрезеровании, предложен способ контроля развития дефектов типа волнистость и зарез путем измерения временных характеристик импульсов акустической эмиссии.

5. Разработанный алгоритм управления процессом фрезерования, основанный на оценке длительности мгновенных значений составляющих силы, позволяет обеспечивать заданное качество процесса фрезерования лопаток блисков за счет предотвращения дефектов типа зарез.

6. Разработанные рекомендации по выбору числа оборотов фрезы в зависимости от резонансных характеристик инструмента и детали, позволяют снизить уровень вибраций при фрезеровании.

1. Stricken J.M., Norden СМ. Advanced Turbine Engine Concepts and Their Impact on the Next Millenium. ISABE97-7174. 8p.

2. Koop W. The Integrated High Performance Turbine Engine Technology (IHPTET) Program. ISABE 97-7175. 5p.

3. Terazono H., Tanaka K., Kubo T and etal Development of Fabrication Process for Ceramic Gas Turbine Components// Proc. of the Int. Gas Turbine Congress, 1999. Kobe, pp.81-86.

4. Dceda Y., Mizuta Y., Orda K. Nondestructive Testing for Ceramic Gas Turbine Project// Proc. of the Int. Gas Turbine Congress. 1999. Kobe, p.87-92.

5. Резников Н.И., Жарков И.Г., Зайцев B.M. и др. Производительная обработка нержавеющих и жаропрочных материалов. М., Машгиз, 1960

6. Даниелян A.M., Бобрик П.И., Гуревич Я.Л. и др. Обработка резанием жаропрочных сталей, сплавов и тугоплавких материалов. М., «Машиностроение», 1965

7. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора, часть 1. Монография, г. Запорожье, изд. ОАО «Мотор Сич», 2003г.- 396 с.

8. Богуслаев А.В., Качан А.Я., Карась В.П. Высокоскоростное финишное фрезерование лопаток моноколес // Вестник двигателе-строения, 2002 г.-№1.-С. 110-111.

9. Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф., Качан А .Я., Карась В.П. Формообразование сложно-профильных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием // Газотурбинные технологии, 2003 г. — №5 (26) — С. 18-21.

10. Богуслаев А.В., Качан А.Я., Карась В.П., Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф. Формообразование сложно-профильных поверхностей осевого моноколеса с широкохордными лопатками высокоскоростным фрезерованием // Вестник двигателе-строения, 2004 г. №3. - С. 16-19.

11. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник./ Гуревич Я.Л., Горохов Н.В., и др. 2-е изд; перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 240 с.

12. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. М.: ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К. 2003. -331с.

13. Синопальников В.А. Надежность режущего инструмента: Учебное пособие. М.: Мосстанкин, 1990. - 92 с.

14. Синопальников В.А., Еременко И.В. Диагностика процесса резания и инструмента: Учебное пособие. М.: Мосстанкин, 1991. - 130 с.

15. Кочеровский Е.В., Лихциер Г.М. Диагностики состояния режущего инструмента по силовым характеристикам процесса резания. М., 1988. - 40 с.

16. Подураев В.Н., Барзов А.А., Горелов В.А. ТехнологическаяIдиагностика резанием методом акустической эмиссии. М.: Машиностроение, 1988. - 56 с.

17. Горелов В.А., Семенов В.А., Чугрин Г.В. Системы активного контроля износа режущего инструмента. // Авиационная промышленность. Приложение 2, 1986 г., с. 6-9.

18. Шалин Р.Е., Ильенко В.М. Титановые сплавы для авиационных газотурбинных двигателей. Журнал «ТИТАН» № 1-2/1995.

19. Горелов В.А., Семенов В.А., Тришкин С.В. Автоматизированная диагностическая система контроля процесса механической обработки. // Технология авиационного двигателестроения № 1, 1988 г. с. 59-61.

20. Гурин В.Д, Синопальников В.А. Диагностирование концевых фрез ' по силовым параметрам. // Качество машин. Сборник трудов 5международной научно-технической конференции. Т. 2. Брянск. БГТУ, 2001.с.120-121.

21. Геранюшкин А.В. Диагностика состояния концевых фрез при обработке титановых сплавов // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении. 3-я Всероссийская научно-практическая конференция. Бийск 2003.-с. 15-19.

22. Автоматический контроль износа инструмента по температуре резания. Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства: Экспресс информ. Режущие инструменты. М.: ВНИИТЭМР, 1985. №2, с. 4-9.

23. Григорьев С.Н., Семенов В.А. Повышение надежности режущегоинструмента путем автоматизированной оценки его текущего состояния //

24. Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды». Бийск, 6-7 июля 2004 г., с. 40-43.

25. Васильев Д.В., Витоль М.Р., Горшенков Ю.Н. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебное пособие. М.: Радио и связь, 1982. - 528 с.

26. Горелов В.А., Семенов В.А., Чугрин Г.В. Принципы построения автоматизированных диагностических комплексов. // Технология авиационного двигателестроения № 1, 1988 г.-с. 15-18.

27. Горелов В.А., Семенов В.А. Технологические возможности диагностических стендов на базе микро-ЭВМ // Технология авиационного двигателестроения № 1, 1988 г. с. 23-25.

28. User Manual SCC Series Signal Conditioning. National Instrument Corporation. 2001.

29. Палей C.M., Решетов Д.Н., Антонов A.B. Контроль состояния режущего инструмента по силе резания. Станки и инструмент. 1992. № 2, с 31-33.

30. Козочкин М.П., Панов С.Н., Кузнецова В.Д., Дуров М.Н. Методы снижения шума металлорежущих станков и их узлов. Методические рекомендации. М.: ВНИИТЭМР, 1986. С. 68.

31. Дарахвелидзе П.Г., Марков Е.П. Программирование в Delphi 7. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004, 784 с.

32. Джеффри Тревис Lab VIEW для всех. пер. Клушин Н.А. Новгород, изд. «ТАЛАМ» 1999. 615 с.