автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка методики моделирования и исследование процесса измерения деталей ГТД на координатно-измерительных машинах

БОЛОТОВ Михаил Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

Специальность 05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 А.ПР М

Самара-2012

005020673

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СЛ. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Чемпинский Леонид Андреевич.

Официальные оппоненты:

член - корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» Барвинок Виталий Алексеевич;

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии машиностроительных производств ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» Лунев Александр Николаевич.

Ведущая организация: ОАО «Кузнецов», г. Самара.

Защита состоится «27» апреля 2012 г. в 1200 на заседании диссертационного совета Д.212.215.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан «26» марта 2012г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

Общая характеристика работы.

Авиационный ГТД состоит из деталей, имеющих сложную конфигурацию при небольшой жёсткости и высоких требованиях к геометрической точности. Обеспечение точности геометрических параметров деталей достигается технологией производства и сборки ГТД. Важным звеном технологии производства деталей является технология контроля их геометрических параметров. Актуальность работы.

Современным подходом к совершенствованию технологий контроля геометрических параметров деталей ГТД является использование трёх осевых координатно-измерительных машин (КИМ). Эти средства контроля характеризуются универсальностью, высокой точностью и надёжностью.

Обеспечение точности контроля геометрических параметров деталей требует оценки погрешности измерения и создания условий, при которых точность измерений будет находиться в допустимых пределах.

Точность измерения координатно-измерительных машин (КИМ) зависит от параметров точности КИМ и используемых методик измерения. В настоящее время аттестация методик измерения деталей ГТД для координатно-измерительных машин обычно в отрасли не производится. Имеющиеся же общие рекомендации по построению методик измерения не могут гарантировать требуемого уровня погрешности измерения. Важными параметрами методик измерения деталей является количество измеряемых точек и схема их расположения по поверхности. Эти параметры влияют на результирующую точность измерения. Определение рационального количества измеряемых точек является актуальным, поскольку позволит существенно повысить эффективность использования КИМ в условиях производства при обеспечении требуемой точности контроля.

В то же время разработка методик измерений позволит исключить влияние квалификации оператора на достоверность контроля.

Цель работы. Разработка методики моделирования и исследование процесса координатных измерений, для обеспечения достоверности контроля геометрических параметров деталей ГТД. Задачи исследования.

1. Разработка обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений.

2. Разработка модели определения рациональных параметров методик измерений, реализация которых в методиках измерений позволит повысить эффективность использования КИМ.

3. Разработка алгоритмов воспроизводящих процесс измерения, необходимых для реализации обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений.

4. Проведение исследования погрешностей измерения геометрических параметров типовых поверхностей деталей ГТД.

5. Проведение исследования погрешностей измерения геометрических параметров размерных комплексов деталей ГТД.

Объект исследований. Процесс производства деталей газотурбинных двигателей.

Предмет исследований. Процесс измерения геометрических параметров деталей ГТД с использованием координатно-измерительных машин.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования осуществлялись методами математического моделирования с использованием теории вероятностей, математической статистки и аналитической геометрии

путём разработки и реализации программных алгоритмов в системе МАТЬАВ. Экспериментальные исследования осуществлялись на опытных образцах и серийных деталях ГТД с использованием координатно-измерительных машин в СГАУ и на ОАО «Кузнецов». Научная новизна.

1. Предложен новый способ моделирования процесса координатных измерений, отличающийся от существующего использованием координат точек, полученных в результате измерения реальных поверхностей деталей.

2. Разработана обобщённая методика моделирования процесса координатных измерений, позволяющая получать оценки погрешностей измерения геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов.

3. Для оптимизации процесса моделирования измерений впервые предложена модель, основанная на модульном представлении измеряемых поверхностей. В оспове модели заложена идея формирования и накопления «модулей» измеряемых поверхностей в базе данных. «Модули» формируются с использованием обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений и представляют собой информацию о методах обработки поверхностей и оценках погрешностей измерепия их геометрических параметров при учёте влияния на процесс измерения параметров методик измерения.

4. Сформированы критерий и дополнительные условия для определения рационального количества измеряемых точек, направленные на повышение эффективности использования КИМ.

5. Разработан регламент подтверждения достоверности оценок погрешностей измерения, получаемых с помощью обобщенной методики моделирования. На защиту выносятся:

- обобщенная методика моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов;

- модель «модульного» моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров размерных комплексов;

- алгоритмы, формирующие разработанную обобщённую методику моделирования;

- модель определения рационального количества точек измерения па поверхностях деталей;

- результаты исследований погрешностей измерений геометрических параметров деталей «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных методики и модели «модульного» моделирования процесса измерения на КИМ для обеспечения точности и повышения эффективности контроля геометрических параметров деталей типа «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Апробация работы. Осуществлялась на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» 24-26 июня 2009, Самара, СГАУ; всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием «X Королёвские чтения», 6-9 октября 2009г., Самара, СГАУ; Ш международной научно-технической конференции «Авиадвигатели ХХТ века», 30 ноября - 3 декабря 2010, Москва, ЦИАМ;

4

международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», посвященной 100-летию Генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова 28-30 июня 2011, Самара, СГАУ; Международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией», 17 августа 2011 в рамках всероссийской научной школы «Молодежь и будущее авиации и космонавтики», МАКС 2011, Жуковский, где работа была отмечена дипломом и медалью за 1 место в номинации аспирант.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются па предприятии ОАО «Кузнецов», при измерении геометрических параметров деталей «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Разработка теоретических положений в диссертационной работе было поддержано грантами по темам: «Разработка моделей высокого уровня для этапов технологической подготовки производства, создание производственных инновационных технологий на их основе» ПС №111029 от 27 мая 2010, «Проведение исследований и разработка современных подходов в области создания систем контроля качества в инновационном аэрокосмическом машиностроении» ГК №14.740.11.1084 от 24 мая 2011 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Работа получила финансирование в рамках программы «СТАРТ» по теме «Разработка решений в области повышения качества и конкурентоспособности изготовления изделий машиностроения на основе использования современных информационных и производственных технологий».

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из которых 8 работ в изданиях из перечня ВАК [1-8].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 140 наименований и семи приложений. Общий объём диссертации составляет 205 страниц, 76 рисунков и 8 таблиц.

Содержание работы

Во введении описан объект исследования, обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, представлены выносимые на защиту научные положения и сведения об апробации работы.

В первой главе проведён анализ научно-технической литературы, посвящённой разработке моделей процесса координатных измерений и исследованиям погрешностей измерений деталей (работы А.-А-А.. Гапшис, А.Ю. Каспарайтис, В.Г. Лысенко, Д.В. Гоголев, R.G. Wilhelml, R. Hocken, Н. Schwenke, J.-P. Rruth, N. Van Gestel, P. Bleys, F. Welkenhuyzen и других авторов). Анализ публикаций показал, что в настоящее время для моделирования процесса измерения используется подход «Виртуальная координатно-измерительная машина», который реализуется с использованием метода «Монте-Карло» (Trapet Е-, Wilhelml R.G., F.Waldele). Проведён анализ влияющих факторов и способов оценки погрешности измерения. Рассмотрены работы, посвящённые изучению погрешностей измерения при контроле геометрических параметров деталей. Сделан вывод о том, что в двигателестроительной отрасли не проводились исследования, результаты которых позволяют разрабатывать методики измерений геометрических параметров размерных комплексов деталей ГТД. На основании проведенного анализа научно-технической литературы сформированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены особенности обеспечения показателей качества двигателей летательных аппаратов, определено место и роль контроля геометрических параметров в технологическом процессе изготовления ГТД. Сформирована последовательность обеспечения точности измерений в производстве ГТД. Выявлены размерные комплексы, определяющие вибрационное состояние ротора и газодинамические характеристики турбокомпрессора.

В третьей главе описывается разработанный способ моделирования процесса координатных измерений, основанный на воспроизведении процесса выбора измеряемых точек на поверхностях измеряемых деталей. Отличие данного способа моделирования от существующего заключается в том, что выбор координат точек осуществляется по результатам измерения реальных поверхностей. В существующем способе моделирования процесса измерений используются координаты точек поверхностей, являющихся аппроксимированным представлением реальных поверхностей.

Описывается разработанная обобщённая методика моделирования процесса координатных измерений (блок - схема которой приведена на рис.1), использующая как существующий, так и разработанный способ моделирования процесса измерений геометрических параметров. Применение этой методики позволяет моделировать координатные измерения геометрических параметров деталей ГТД и получать оценки погрешностей проведённых измерений.

Приведена разработанная модель «модульного» представления погрешностей координатных измерений геометрических параметров деталей ГТД (рис.2).

«Модуль» содержит информацию о типоразмере, величине и виде погрешностей формы поверхности, а также зависимости погрешностей измерения геометрических параметров заменяющих элементов от влияющих факторов (сзэО. Накопление «модулей» позволит использовать их для дальнейших расчетов погрешностей измерения размерных комплексов (оРК). Это приведёт к снижению трудоемкости моделирования последующих задач.

Предложен способ оценки погрешностей измерений координат точек сложных поверхностей.

Предложена целевая функция обеспечения достоверности и повышения эффективности использования КИМ с ограничениями, позволяющими определять рациональное количество измеряемых точек на поверхностях деталей.

Для подтверждения достоверности разработанных моделей процесса координатных измерений необходимо иметь следующие оценки погрешности измерения, полученные различными способами:

- методом минимума-максимума;

- методикой моделирования процесса координатных измерений на основе измеренных координат точек реальных поверхностей;

- методикой моделирования процесса координатных измерений на основе массива координат точек поверхностей деталей, полученного с использованием алгоритмов моделирования поверхностей;

- экспериментами на повторяемость результатов измерения геометрических параметров, проводимых на КИМ.

Рисунок 1-Блок-схема обобщённой методики моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров

Прямая задача

1 Методика измерения (количество и расположение точек)

Модель измерения 033І Модель размерных ОРК \

А 1 1 заменяющих комплексов

элементов

1 1 1_____ Обратная задача

Рисунок 2 - Моделирование геометрических параметров размерных комплексов

В четвертой главе приведены результаты исследований погрешностей измерения геометрических параметров заменяющих элементов «окружность» и «плоскость», соответствующих наиболее часто встречающимся цилиндрическим и плоским поверхностям в деталях ГТД.

Погрешности измерения геометрических параметров (положение центра, радиуса, отклонения от круглости) заменяющего элемента «окружность» зависят от факторов: инструментальной погрешности Дю, КИМ, действительного заданного значения отклонения формы вида отклонения формы поверхности от номинальной формы, обозначаемого у (в случае детали типа «кольцо» - степень огранки), количества точек контроля N. Для удобства представления возможные случаи отклонения формы цилиндрических поверхностей обозначены параметром «степень огранки». Степень 2 будет характеризовать овальность, 3 - трехгранный профиль и т.д. Погрешность измерения геометрического параметра можно представить в виде функции:

Д = У, *0. (1)

Для оценки отклонения результата измерения от действительного значения вводится показатель относительной доли ошибки для ¡-го параметра (отклонения от формы, радиуса, положения центра):

Д

Р°-Р? ' М '

(2)

где р" - действительное значение параметра 1 в единицах измерения параметра; р° — оценка погрешности геометрического параметра 1 в единицах измерения параметра, равная по величине расширенной неопределенности; М—параметр, задающий масштаб отклонения.

Если в качестве М принимать значение р,л, то данный параметр будет характеризовать относительную ошибку при измерениях. Выбор для параметра М других базовых значений позволяет использовать его как безразмерный показатель.

На основании разработанного плана экспериментов получены зависимости, приведённые на рис.3.

Рисунок 3 - Результаты моделирования измерения цилиндрической поверхности заменяющим элементом «окружность» для разной огранки: а - доля ошибки Вг выявления отклонения от круглости поверхности; б - поле рассеивания радиуса Вл поверхности, отнесенного к величине отклонения формы (0,01мм); в - поле рассеивания координаты центра поверхности Вс (по оси абсцисс), отнесенной к величине отклонения формы (0,01мм)

Исходя из полученных результатов при моделировании измерения теоретического профиля (см. рис.3), надёжное выявление отклонения формы цилиндрической поверхности происходит при выборе 6 (для 2, 3 и 4 огранённого профиля) и 8 (для 6-ти огранённого профиля) контролируемых точек. Рациональное количество контролируемых точек определялось исходя из условия обеспечения доли ошибки менее 0,3.

Для подтверждения полученных результатов на основе теоретического профиля был проведен эксперимент на сканированном массиве точек детали (около 3000).

На рис.4 приведены результаты моделирования измерения цилиндрических поверхностей на основе теоретического и измеренного массивов точек профиля для геометрического параметра «отклонение от круглости». Для огранки 3 степени наблюдается значительное (более 100%) расхождение результатов при количестве контролируемых точек равном 5. В остальном диапазоне до 15 контролируемых точек расхождение результатов составляет не более 10%.

э

Рисунок 4 - Доля ошибки Вг выявления отклонения от круглости цилиндрической поверхности для деталей: а - имеющей трехгранную огранку; б - имеющей овальность

В работе рассмотрены плоские поверхности образцов после шлифования, электроэрозионной и фрезерной обработки. Они контролировались заменяющим элементом «плоскость». На рис.5 приведены зависимости доли ошибки для геометрических параметров отклонения от плоскостности и координаты г центральной точки заменяющего элемента.

Рисунок 5 - Зависимости доли ошибки от количества измеряемых точек для: а - отклонения от плоскостности (В(); б - координаты г центральной точки заменяющего элемента плоскость (В;)

Установлено, что для достоверного выявления отклонения формы шлифованных поверхностей необходимо осуществлять контроль поверхности образца по 30 точкам. Такое количество контролируемых точек определено из зависимости параметра Вг для его величины равной 0,3 (см. рис.5).

В пятой главе приведено исследование погрешностей измерений размерных комплексов, выявленных в главе 2. Первый размерный комплекс образован схемой расположения отверстий (рис.6). Обеспечение точности геометрических параметров размерного комплекса влияет на вибрационное состояние ротора. Размерный комплекс реализуется в деталях «диск» и «вал» турбины и компрессора.

размерный следующих

¿1

Конструктивно данный комплекс состоит из элементов:

- центрирующего пояска допуском 0,024 мм;

- серии отверстий с! равномерно расположенных на делительной окружности II.

Допуск иа диаметр отверстий с!

составляет 0,023мм. Допуск на радиус

средней окружности составляет 0,02

„ , „ мм.

Рисунок 6 -Схема расположения

отверстий

Погрешность измерения углового расположения отверстий, оценённая с помощью среднеквадратического отклонения, может быть представлена в виде:

где <тА,ов,<тс - среднеквадратичные отклонения (стандартные неопределенности) координат центров периферийных отверстий и пояска диска.

Частные зависимости <уа приведены на рис.7. Зависимость о„ от поминального угла а (рис.7,а) хорошо описывается линейной функцией. Зависимость о0 от радиуса делительной окружности К (рис.7,б) аппроксимируется степенной функцией. Зависимость а0 от ад, Ов, ас описывается линейной функцией (рис.7,в).

оде

0,055 ■

одо £одо ■

О,0ОЗ 0,С01 '

■^доош

0^012 ял

еде |«да

---лжанмоит^ ^

— - -лшнЛш(ипй у*1Е-О5х*0де2£ сдеп

«ЦфЦ

^-■-ОИШНМ

тч

Ш*1$ПМД В^100 ПН

у - 0,82 67х-11-05

-ШЧ

—*Лииа1Ьамфммт) — мЛинеАпиСшЛ «■-«9997

Рисунок 7 -Зависимости среднеквадратичного отклонения углового расположения

отверстий оа от;

а - номинального угла а; б - радиуса делительной окружности Кдел; в -среднеквадратических отклонений центров заменяющего элемента «окружность» ПО отверстиям и пояску Од, <ТВ, Ос.

Для подтверждения достоверности оценок погрешностей, полученных с использованием обобщенной методики моделирования, получены оценки погрешностей с использованием модели минимума-максимума при одинаковых исходных условиях. Расхождение результатов между моделью по методу минимума-максимума и вероятностной моделью, при распределении поля рассеивания центров заменяющих элементов «окружность» по равномерному закону, составляет менее 5%. В случае распределения по закону Гаусса, расхождение достигает 26%.

Для исходных данных: Кдсл = 91мм, апш = 30, 60,...330 град., с позиционным допуском 0,02мм рассчитано рациональное количество измеряемых точек. Для контроля периферийных отверстий оно составляет 28 точек, а для центрирующего пояска 101 точку. Такое количество точек необходимо измерять, используя сканирующий тип датчика.

Второй рассмотренный размерный комплекс реализован для деталей типа «лопатка компрессора» ГТД. Он определяет координаты точек сложной поверхности пера относительно системы базовых поверхностей хвостовика трапецеидальной формы и влияет на газодинамическую устойчивость турбокомпрессора ГТД. На рис. 8 приведена схема задачи для определения погрешности измерения любой точки пера лопатки, относительно системы базовых поверхностей хвостовика трапецеидальной формы.

Погрешность измерения точки пера лопатки, с учётом процесса базирования по измеренным поверхностям хвостовика, можно определить как разность положений между её координатами в номинальной и "деформированной" системах координат (реперах):

где хн, ун, - координаты измеряемой точки в номинальной системе координат (репере);

х"ш у"ш г"н - координаты измеряемой точки в "деформированной" системе координат (репере).

Координаты точки в "деформированной" системе координат определяются исходя из выражения:

X.

уL У.

z"„ zu

і 1

где А - матрица "перехода" между номинальной и "деформированной" системами координат (репера).

Матрица перехода А, может быть определена следующим образом:

(6)

где Р„ - матрица однородных координат ряда точек, построенных на системе базовых поверхностей в "деформированной" системе координат; Р0' - матрица однородных координат ряда точек, построенных на системе базовых поверхностей в номинальной системе координат.

На рис.9 приведены оценки погрешностей измерений в зависимости от количества контролируемых точек на базовых поверхностях хвостовика.

Рисунок 9 - Зависимости погрешностей измерения точек в сечениях пера лопатки от количества контролируемых точек на базовых поверхностях хвостовика эталонной лопатки 2 ступени

В табл.1 приведены оценки погрешностей измерения в 9 выбранных точках пера, полученные с использованием обобщенной методики моделирования, моделей по методу минимума-максимума в двухмерной, трёхмерной постановке модели и экспериментально.

Экспериментальные данные получены с помощью КИМ DEA Global performance 07.10.07 с объёмной погрешностью измерения по ISO 10360 MPEE=l,7+L/333, мкм.

Установлено, что погрешность измерения в сечении 172 мм может достигать до 0,0273 мм, что на порядок больше паспортных данных средства измерения (КИМ).

Таблица 1 Координаты контролируемых точек на поверхности пера лопатки и полученные оценки погрешности измерения с использованием разработанных _______ моделей оценки погрешности измерения, мм

№ Координаты точки, (х; у; г) Модели оценки погрешностей измерения Эксперименталь ные 6а (о)

По методу «минимума-максимума» По обобщенной методике при четырёх измеряемых точках

В двухмерной постановке В трехмерной постановке

! -1.886; 64.433; 17.001 0,0059 0,0082 0,0123 0,0090(0,0015)

2 4.115; 36.406; 17.002; 0,0074 0,0090 0,0072(0,0012)

3 -1.330; 10.243; 16.994 0,0065 0,0082 0,0063(0,0011)

4 -6.253; 9.453; 100.115 0,0138 0,0148 0,0105 0,0090(0,0015)

5 3.372; 36.394; 100.126 0,0153 0,0126 0,0120 (0,0020)

6 5.824; 64.643; 100.133 0,0166 0,0159 0,0120 (0,0020)

7 12.191 ;60.978; 172.837 0,0245 0,0273 0,0214 0,0144 (0,0024)

8 4.064; 36.383; 172.827 0,0262 0,0192 0,0156 (0,0026)

9 -9.620; 13.276; 172.813 0,0258 0,0178 0,0144 (0,0024)

На рис.10 приведен график распределения погрешности измерения точек поверхности пера при 4 контролируемых точках на базовых поверхностях, для

В шестой главе приведена методика разработки управляющей программы для контроля геометрических параметров пера рабочей лопатки компрессора высокого давления одного из двигателей НК с учётом разработанной методики измерения.

Выводы и основные результаты работы

Решена важная научно-техническая задача повышения эффективности использования координатно-измерительных машин и обеспечения точности контроля деталей ГТД. В процессе работы были получены следующие результаты:

1 Разработана обобщённая методика моделирования процесса координатных измерений, позволяющая определять погрешности измерений геометрических параметров деталей ГТД.

2 Разработаны алгоритмы, реализующие обобщённую методику моделирования процесса координатных измерений.

3 Предложена модель «модульного» представления процесса координатных измерений, позволяющая снизить трудоёмкость моделирования процесса.

4 Разработана модель определения рационального количества измеряемых точек на поверхностях деталей, позволяющая повысить эффективность использования КИМ в производстве.

5 Показано, что действительные погрешности измерения могут быть значительно выше паспортной погрешности измерения КИМ. Например, при контроле отклонения профиля пера лопатки результирующая погрешность измерения составила 0,027 мм при паспортной погрешности КИМ 0,002 мм.

6 Исследованиями установлено, что результаты моделирования, полученные с использованием разработанного и традиционного способов отличаются на 10..,15%, а в некоторых случаях разница может достигать 100%. Это указывает на то, что существующий способ не учитывает всех особенностей моделирования геометрии поверхностей и поэтому менее достоверен.

7 Использование результатов работы в практике измерения реальных деталей ГТД на предприятии ОАО «Кузнецов» позволило повысить точность контроля на 15% и сократить трудоемкость измерения на 17% за счёт использования разработанных методик измерения.

Основные публикации по теме диссертации: в изданиях, рекомендованных ВАК:

1 Болотов, М.А. Исследование погрешностей базирования в механизме крепления лопатки наладки ПОМКЛ-БЛИК в системе аппроксимативного анализа двумерных плотностей вероятности [Текст] / М.А. Болотов, А.Н. Жидяев, И.А. Лёзип, ИЛ. Шитарев II Вестник СГАУ. - Самара: СГАУ, 2009. - №3 (19), ч. 2. - С. 322-327.

2 Болотов, М.А. Модели и методы оптимизации методик измерения деталей ГТД при их контроле на координатно измерительных машинах [Текст] / М.А. Болотов, ИЛ. Лёзин // Вестник СГАУ. - Самара: СГАУ, 2011. - №2 (26).-С. 140-150.

3 Болотов, М.А. Исследование погрешностей измерения угловых параметров расположения отверстий в дисках турбин и компрессоров ГТД [Текст] / МЛ. Болотов, А.Н. Жидяев, ИЛ. Шитарев, А.О. Чевелева// Вестник СГАУ. - Самара: СГАУ, 2011. - №2 (26). - С. 131-139.

4 Болотов, М.А. Разработка технологии контроля геометрических параметров ГТД комплексной системы обеспечения качества основанной на использовании современных средств измерений [Текст] / МЛ. Болотов // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени ПЛ.Соловьева. - Рыбинск: РГАТУ имени ПЛ.Соловьева, 2011. ~№2 (20). - С. 39-43.

5 Болотов, МЛ. Оптимизация методик измерения геометрических параметров деталей ГТД при их контроле на КИМ [Текст] / МЛ. Болотов, А.Н. Жидяев, А.О. Чевелева // Вестник СГАУ. - Самара: СГАУ, 2011. - №3 (27). -С. 157-165.

6 Болотов, МЛ., Исследование деформаций тонкостенной детали при механической обработке с применением метода конечных элементов на примере лопатки моноколеса [Текст] / МЛ. Болотов, А.Н. Жидяев, И.Л. Шитарев // Вестник Рыбинской государственной авиационной

технологической академии имени ПА.Соловьсва. - Рыбинск: РГАТА имени ПА.Соловьева, 2010. -№2 (17).-С. 12-17.

7 Болотов, М.А. Экспериментальные исследования процессов вытяжки, вытяжки с отбортовкой и принудительным утонением толстостенной заготовки [Текст] / МЛ. Болотов, С.Ю. Звонов, В.П. Белягога, И.П. Попов // Известия Самарского научного цента Российской академии наук. - Самара, 2010. - Т. 12 (36), №4 (3). - С. 558-561.

8 Болотов, М.А. Компьютерное моделирование деформаций заготовки в процессе фрезерной обработки [Текст]/ М.А. Болотов, А.Н. Жидяев, А.В. Кузнецов, О.С. Сурков, Д.Е. Яшин // Известия Самарского научного цента Российской академии наук.-Самара, 2011.-Т. 13,№4.-С. 170-177.

в других изданиях:

9 Болотов, М.А. Методика определения составляющих компонент погрешностей по серии измерений с помощью КИМ на примере лопаток ГТД [Текст]/ М.А. Болотов, А.Н. Жидяев, И.А. Лёзин // X Королевские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием, Самара, 6-6 октября 2009года: Тезисы докладов-Самара: СГАУ, 2009.-С. 130-131.

10 Болотов, М.А. Разработка имитационной модели погрешностей координатно-измерительных машин [Электронный ресурс] / М.А. Болотов, А.Н. Жидяев, ИЛ. Шитарев, И.А Марутян И Авиадвигатели XXI века: материалы конференции. -М.: ЦИАМ, 2010. - С. 1158-1160.

11 Болотов, М.А. Имитационные алгоритмы генерации разреженных выборок контролируемых точек при координатных измерениях [Текст] / М.А. Болотов, А.О. Чевелева - Сборник тезисов Региональной научно-практической конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос. Самара, 14-15 апреля 2011.-Самара, 2011.-145-146 с.

12 Болотов, М.А. Разработка методики оценки и анализа макрогеометрии поверхностей и их фильтрации [Текст]/ М.А. Болотов, В.А. Печенин // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов международной научно-технической конференции 28-30 июня 2011.— Самара: СГАУ, 2011. -Ч.1.-С. 258-259.

13 Болотов, М.А. Формирование оптимальных методик измерения, осуществляемых на координатно-измерительных машинах, с четом технологии изготовления маложестких деталей типа «кольцо» [Текст]/ М.А. Болотов, А.О. Чевелева // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов международной научно-технической конференции 28-30 июня 2011. - Самара: СГАУ, 2011. - 4.2. С. 297-299.

14 Болотов, МЛ. Разработка технологии контроля геометрических параметров ГТД комплексной системы обеспечения качества основанной на использовании современных средств измерений [Текст] / М.А. Болотов // Будущее авиации за молодой Россией: Материалы Международного молодежного форума - Рыбинск: РГАТА имени П.А.Соловьева, 2011. -С. 87-92.

Подписало в печать 16 марта 2012г.

Формат 60x841/16 Бумага офсетная Усл. пл. 1.0 Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета 443086, Московское шоссе, 34, СГАУ.

61 12-5/2326

МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Болотов Михаил Александрович с.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - к.т.н., доцент Чемпинский Л.А.

Самара-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР..............................................................14

1.1 Газотурбинный двигатель как объект контроля.......................................14

1.2 Особенности моделирования процесса координатных измерений........17

1.3 Обзор исследований точности координатных измерений геометрических параметров.............................................................................23

1.3.1 Исследование влияния измерительных погрешностей средств координатных измерений на погрешность измерения геометрических параметров......................................................................................................23

1.3.2 Исследование влияния погрешностей формы поверхностей на погрешность измерения геометрических параметров................................26

1.3.3 Исследование достоверности контроля сложных поверхностей.....28

1.4 Моделирование процесса измерения.........................................................30

1.5 Цель и задачи исследования.......................................................................31

ГЛАВА 2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.........................................................................33

2.1 Структурно-логическая схема обеспечения показателей качества изделий................................................................................................................33

2.2 Обеспечение точности измерений в производстве двигателей летательных аппаратов......................................................................................35

2.3 Размерные комплексы, определяющие эксплуатационные характеристики ГТД..........................................................................................38

Результаты и выводы по 2 главе..........................................................................43

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ......................................................................................................44

3.1 Метод координатных измерений. Погрешность измерения геометрических параметров. Методика измерения.......................................44

3.2 Теоретические основы для разработки моделей процесса измерения... 48

3.3 Разработка обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров................................52

3.3.1 Анализ спектральных характеристик, определение составляющих погрешностей, их фильтрация......................................................................57

3.3.2 Алгоритмы моделирования измеряемых поверхностей...................63

3.3.3 Имитационные алгоритмы моделирования выбора точек................69

3.3.4 Алгоритмы получения параметров заменяющих элементов............74

3.3.5 Статистическая обработка результатов..............................................76

3.4 Разработка модели модульного представления погрешности координатных измерений геометрических параметров................................79

3.5 Определение достоверности разрабатываемых моделей........................81

3.6 Особенности моделирования погрешностей измерения геометрических параметров сложных поверхностей, контролируемых с использованием 3D моделей...............................................................................................................85

3.6.1 Алгоритм расчета сложных поверхностей и разработки управляющих программ для КИМ по 3D моделям....................................85

3.6.2 Определение погрешности измерения координаты точки сложной поверхности....................................................................................................87

3.7 Разработка модели определения рационального количества измеряемых точек....................................................................................................................90

Результаты и выводы по 3 главе..........................................................................92

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЯ ПРОСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ГТД.........................93

4.1 Геометрические параметры цилиндрических поверхностей деталей, контролируемых заменяющими элементами «окружность»........................93

4.2 Геометрические параметры деталей, контролируемых заменяющими элементами «плоскость».................................................................................101

Результаты и выводы но 4 главе........................................................................108

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА ИЗМЕРЯЕМЫХ ТОЧЕК ДЛЯ МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ ГТД........................................................................................................................109

5.1 Исследование погрешностей измерения геометрического параметра углового расположения в деталях типа «диск» и «вал» ротора ГТД.........109

5.1.1 Разработка модели погрешности измерения углового параметра с использованием метода минимума-максимума........................................111

5.1.2 Оценка погрешностей с использованием модульной модели........113

5.1.3 Определение рационального количества измеряемых точек.........118

5.2 Исследование погрешностей геометрического параметра отклонения сложного профиля лопаток компрессора ГТД.............................................120

5.2.1 Разработка модели по методу минимума-максимума.....................122

5.2.2 Разработка модели с использованием обобщенной методики моделирования процесса измерения..........................................................132

5.2.3 Результаты исследований с использованием разработанных моделей ........................................................................................................................139

Результаты и выводы по 5 главе........................................................................148

ГЛАВА 6 ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ОТРАСЛИ....................................................................150

6.1 Формирование стратегии разработки и оптимизации методик измерений в производстве ГТД......................................................................150

6.2 Последовательность разработки методик измерения для координатно-измерительных машин и формирования управляющих программ............153

6.3 Формирование методики измерения и разработка управляющей программы для контроля лопатки компрессора ГТД..................................155

Результаты и выводы по 6 главе........................................................................169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................170

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................172

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................188

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГТД - газотурбинный двигатель

КИМ - координатно-измерительная машина

МИ - методика измерения

ГП - геометрический параметр

КИ - координатные измерения

СП - сложная поверхность

ГЭ - геометрический элемент

ВКИМ - виртуальная координатно-измерительная машина

ЗЭ - заменяющий элемент

СВ - случайная величина

ЭВМ - электронно-вычислительная машина СКД - система координат детали

СКО - система координат относительная СКМ - система координат КИМ

ВВЕДЕНИЕ

Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) является сложным объектом, который характеризуется высокой точностью исполнения отдельных деталей сборочных единиц и изделия в целом. Обеспечение точности геометрических параметров (ГП) деталей осуществляется технологией производства и сборки ГТД [33, 40, 49, 53, 54, 59, 67]. При этом важнейшей составляющей любого технологического процесса является технология контроля геометрических параметров.

Авиационный ГТД включает в себя широкую номенклатуру деталей, которые имеют свою специфику по сравнению с другими отраслями машиностроения. Детали отличаются сложной конфигурацией, определяемой конструкцией изделия. Поэтому к ним предъявляются жесткие требования по геометрической точности, реализуемые в применяемых технологических процессах.

Основным способом реализации технологий контроля геометрических параметров авиационных ГТД традиционно является проектирование специальных контрольно-измерительных приспособлений (КИП) [4, 75, 76, 77]. Они зачастую рассчитаны на контроль одного или нескольких геометрических параметров для одной или ряда близких по конструктивным особенностям деталей. Контрольно-измерительные приспособления позволяют определять действительные значения размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей в пределах допустимой погрешности.

Такой подход имеет ограничения по своему применению в силу ряда причин. Первой из них является постоянный рост требований к снижению величины погрешности измерения геометрических параметров деталей ГТД. Второй причиной является необходимость изготовления широкой номенклатуры контрольно-измерительных приспособлений и соответственно большие затраты на контроль деталей, особенно характерные для опытного и

мелкосерийного типов производств. Третьей причиной является невозможность быстрого освоения производства новых изделий, так как процесс проектирования, изготовления и аттестации КИП является достаточно длительным.

Перспективным подходом к построению технологий контроля является использование современных трех осевых координатно-измерительных машин (КИМ). Эти средства контроля характеризуются широкой универсальностью, высокими точностными характеристиками. Важным преимуществом координатно-измерительных машин по сравнению с контрольно измерительными приспособлениями является возможность исследования геометрии поверхностей деталей с требуемой дискретностью по сравнению с реализуемым двух- и трех- точечным подходом в контрольно-измерительных приспособлениях [4, 76, 77]. В комплексе с современными компьютерными технологиями поддержки, обработки и визуализации данных, применение КИМ позволяет проводить глубокий всесторонний анализ измеряемых размеров, формы и взаимного расположения участков деталей [71, 99, 125, 134].

Актуальность работы.

Обеспечение точности контроля геометрических параметров деталей требует оценки погрешности измерения и создания условий, при которых точность измерений будет находиться в допустимых пределах.

Точность измерения координатно-измерительных машин (КИМ) зависит от параметров точности КИМ (которые проходят ежегодную аттестацию [94]) и используемых методик измерения [61, 84]. В настоящее время аттестация методик измерения деталей ГТД для координатно-измерительных машин зачастую в отрасли не производится [7, 8, 47, 48]. Имеющиеся же общие рекомендации по построению методик измерения не могут гарантировать требуемого уровня погрешности измерения [106, 109, 110, 111]. Важными параметрами методик измерения деталей является количество измеряемых точек и схема их расположения по поверхности. Эти

параметры влияют на результирующую точность измерения. Определение рационального количества измеряемых точек является актуальным, поскольку позволит существенно повысить эффективность использования КИМ в условиях производства при обеспечении требуемой точности контроля.

В то же время разработка методик измерений позволит исключить влияние квалификации оператора на достоверность контроля.

Цель работы. Разработка методики моделирования и исследование процесса координатных измерений для обеспечения достоверности контроля геометрических параметров деталей ГТД.

Объект исследований. Процесс производства деталей газотурбинных двигателей.

Предмет исследований. Процесс измерения геометрических параметров деталей ГТД с использованием координатно-измерительных машин.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования осуществлялись методами математического моделирования с использованием теории вероятностей, математической статистики и аналитической геометрии путём разработки и реализации программных алгоритмов в системе МАТГАВ. Экспериментальные исследования осуществлялись на опытных образцах и серийных деталях ГТД с использованием координатно-измерительных машин в СГАУ и на ОАО «Кузнецов».

Научная новизна.

1. Предложен новый способ моделирования процесса координатных измерений, отличающийся от существующего использованием координат точек, полученных в результате измерения реальных поверхностей деталей.

2. Разработана обобщённая методика моделирования процесса координатных измерений, позволяющая получать оценки

погрешностей измерения геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов.

3. Для оптимизации процесса моделирования измерений впервые предложена модель, основанная на модульном представлении измеряемых поверхностей. В основе модели заложена идея формирования и накопления «модулей» измеряемых поверхностей в базе данных. «Модули» формируются с использованием обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений и представляют собой информацию о методах обработки поверхностей и оценках погрешностей измерения их геометрических параметров при учёте влияния на процесс измерения параметров методик измерения.

4. Сформированы критерий и дополнительные условия для определения рационального количества измеряемых точек, направленные на повышение эффективности использования КИМ.

5. Разработан регламент подтверждения достоверности оценок погрешностей измерения, получаемых с помощью обобщенной методики моделирования.

На защиту выносятся:

- обобщенная методика моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов;

- модель «модульного» моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров размерных комплексов;

- алгоритмы, формирующие разработанную обобщённую методику моделирования;

- модель определения рационального количества точек измерения на поверхностях деталей;

- результаты исследований погрешностей измерений геометрических параметров деталей «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных методик и модели «модульного» моделирования процесса измерения на КИМ для обеспечения точности и повышения эффективности контроля геометрических параметров деталей типа «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и восьми приложений. Общий объём диссертации составляет 204 страниц, 74 рисунков и 7 таблиц.

Во введении описан объект исследования, обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, представлены выносимые на защиту научные положения и сведения об апробации и реализации результатов работы.

В первой главе проведён анализ научно-технической литературы, посвященной разработке моделей процесса координатных измерений и исследованиям погрешностей измерений деталей (работы Л.-A.A. Гапшис, А.Ю. Каспарайтис, В.Г. Лысенко, Д.В. Гоголев, R.G. Wilhelml, R. Hocken, Ii. Schwenke, J.-P. Kruth, N. Van Gestel, P. Bleys, F. Welkenhuyzen и других авторов). Анализ публикаций показал, что в настоящее время для моделирования процесса измерения используется подход «Виртуальная координатно-измерительная машина», который реализуется с использованием метода «Монте-Карло» (Trapet Е., Wilhelml R.G., F.Waldele). Проведён анализ влияющих факторов и способов оценки погрешности измерения. Рассмотрены работы, посвященные изучению погрешностей измерения при контроле геометрических параметров деталей. Сделан вывод о том, что в двигателестроительной отрасли не проводились исследования, результаты которых позволяют разрабатывать методики измерений геометрических параметров размерных комплексов деталей ГТД. На основании проведенного анализа научно-технической литературы сформированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены особенности обеспечения показателей качества двигателей летательных аппаратов, определено место и роль контроля геометрических параметров в технологическом процессе изготовления ГТД. Сформирована последовательность обеспечения точности измерений в производстве ГТД. Выявлены размерные комплексы, определяющие вибрационное состояние ротора и газодинамические характеристики турбокомпрессора.

В третьей главе приведена разработанная обобщенная методика и способ моделирования процесса координатных измерений, модель «модульного» представления погрешностей координатных измерений геометрических параметров. Уделено внимание вопросу подтверждения достоверности получаемых моделей. Рассмотрен способ оценки погрешностей измерений координат точек сложных поверхностей. Разработана модель оптимизации методик измерения.

В четвертой главе приведены результаты исследования и сформированные б�