close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Адаптивное управление процессом ленточного шлифования лопаток ГТД на основе анализа контактного взаимодействия инструмента с заготовкой.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Коряжкин Андрей Александрович
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЛЕНТОЧНОГО
ШЛИФОВАНИЯ ЛОПАТОК ГТД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА
КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНСТРУМЕНТА
С ЗАГОТОВКОЙ
Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физикотехнической обработки
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Рыбинск – 2013
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинском государственном авиационном техническом университете им П. А. Соловьева
Научный консультант
Волков Дмитрий Иванович
доктор технических наук, профессор.
Официальные оппоненты:
Зубарев Юрий Михайлович заслуженный работник высшей школы, доктор технических наук, профессор, кафедра «Технологические машины и оборудование автоматизированных производств» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, институт Машиностроения».
Киселев Евгений Степанович доктор технических наук, профессор, кафедра «Технологии машиностроения» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет».
Степанов Юрий Сергеевич доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе и международным связям ФГБОУ ВПО «Государственный университет учебно-научно-производственный комплекс».
Ведущая организация
ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин»
Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А.
Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина,
53, ауд. Г-237.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».
Автореферат разослан «____ » __________ 2013 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Конюхов Борис Михайлович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Перспективным направлением решения задачи увеличения производительности обработки, при одновременном повышении качества,
надежности и долговечности изделий машиностроения является применение в производстве новых технологий, в том числе на основе абразивной обработки. К таким
технологиям относиться процесс ленточного шлифования лопаток ГТД на лентошлифовальных станках с ЧПУ, который интенсивно развивается и принимается за
основу при создании так называемых высоких технологий.
Для подобных станков управляющие программы составляются с целью максимального приближения получаемого профиля к теоретическому. От этого зависят
доработки на последующих операциях ручного полирования, которые должны
быть полностью исключены или сведены к минимуму.
В существующем технологическом процессе шлифования операционный
контроль происходит от одних и тех же технологических баз. При этом одновременно осуществляют комплексный контроль геометрических размеров профиля:
- смещение профиля от корневого сечения лопатки;
- смещение профилей лопатки друг относительно друга в том или ином сечении;
- угла разворота профиля в каждом сечении.
Наличие жестких допусков на каждый контролируемый параметр приводит к
необходимости доработки проточной части. Большое количество одновременно
контролируемых параметров и последующая доработка профилей значительно увеличивают трудоемкость обработки. Основными причинами отклонения профиля
лопатки от теоретического являются: влияние «технологической наследственности» – колебания припуска, созданные на предыдущей операции, которые повторяются на окончательно обработанной поверхности; износ ленты приводит к постепенному уменьшению съема материала в процессе обработки при этом, погрешность обработки по лопатке может достигать при черновом шлифовании  = 0,15 –
0,25 мм, при чистовом  = 0,05–0,1 мм; при обработке выпуклых и вогнутых участков различной кривизны изменяется площадь поверхности контакта ленты и лопатки, что приводит к изменению контактного давления при постоянном усилии
прижима в диапазоне ± 20 % от номинального, а это приводит к колебаниям снимаемого припуска; инерционность подвижных узлов станка приводит к изменениям прижимающего усилия и неравномерному съему металла на участках резкого
изменения траектории; при обработке прикромочных участков происходит уменьшение площади зоны контакта ввиду ограниченности заготовки, это приводит к
увеличению удельного давления в зоне контакта, в результате происходит повышение глубины съема и «зарезание» кромки.
Отсутствие теории, практических рекомендаций и методик, необходимых для
получения требуемой точности и качества обработанных поверхностей на многокоординатных ленто-шлифовальных станках приводит к прямой зависимости качества обработки от квалификации оператора и обуславливает необходимость в
трудоемкой доработке проточной части посредством ручного полирования.
Опыт внедрения процесса многокоординатного ленточного шлифования на
ОАО «НПО «Сатурн» позволил автору сформулировать проблемы, препятствующие повышению точности и качества обработки криволинейных деталей за счет
применения многокоординатного оборудования с ЧПУ:
- Отсутствует математическая модель процесса ленточного шлифования
криволинейных поверхностей при нестационарных условиях обработки, в том числе отсутствуют: модель расчета температуры при дискретном представлении зоны
контакта, позволяющая рассчитать распределение температуры в зоне контакта
4
сложно профильного контактного элемента, с учетом изменения траектории движения инструмента и прогнозировать всплеск температур в точках реверса; динамическая модель тепловых и деформационных процессов в зоне контакта во взаимосвязи с изменением сечения среза единичного зерна.
- Не разработаны методы управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании с целью получение заданных параметров обработанной поверхности методом изменения угловых координат контактного элемента.
- Отсутствуют динамические модели технологической системы механической обработки, позволяющие определить диапазоны ее устойчивости в зависимости от изменения входных условий обработки.
- Не разработано математическое описание процесса формирования группы
основных показателей качества, таких как точность, шероховатость, остаточные
напряжения и предупреждение дефектов в виде прижогов и микротрещин, в условиях не стабильности протекания процесса обработки.
Решение данных проблем позволит повысить точность обработки, снизить
волнистость и шероховатость обработанной поверхности на основе четко выработанных алгоритмов управления выходными параметрами процесса ленточного
шлифования.
С помощью данных алгоритмов, представляется возможным достигнуть повышения точности в случае неблагоприятной технологической наследственности,
т.е. при неравномерном распределение припуска по обрабатываемым поверхностям, уменьшении скорости съема материала при затуплении лент, снижении
влияния инерции подвижных узлов станка на постоянство давления в зоне контакта
прижимного ролика и заготовки. Снижение волнистости и шероховатости обработки возможно за счет принятия мер, уменьшающих влияния факторов, обусловленных строчечной схемой снятия припуска и наличием высокого давления на абразивные зерна на краю зоны контакта прижимного ролика с шлифовальной лентой,
формирующего окончательно обработанную поверхность.
Реализация вышеперечисленных мероприятий и получение системы контролируемого изменения параметров процесса обработки, возможно только за счет
управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой, а
также совершенствования способов ленточного шлифования и конструкций прижимных устройств.
Таким образом, разработка методов адаптивного управления процессами
контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании
лопаток ГТД с целью получения требуемого качества изделия представляет собой
актуальную проблему, имеющую важное хозяйственное значение.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и
науки РФ по договору № 540/НТП-1 от 22 октября2012 г. в рамках исполнения Постановления Правительства России № П-218 от 9 апреля 2010 г.
Целью работы является разработка методологии адаптивного управления
процессом ленточного шлифования лопаток ГТД на основе анализа контактного
взаимодействия инструмента с заготовкой.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи.
1. Разработать математическую модель процесса ленточного шлифования содержащую: вероятностную стохастическую модель зоны контакта, учитывающую
кинематику основных движений; модель элементного стружкообразования на единичном абразивном зерне с большим радиусом режущей кромки и прогрессирую-
5
щим износом по задней поверхности; модель тепловых процессов при дискретном
представлении зоны контакта.
2. Решить проблему управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании с целью получение заданных
параметров обработанной поверхности методом изменения угловых координат
контактного элемента.
3. Разработать динамические модели технологической системы механической обработки, позволяющие определить диапазоны ее устойчивости в зависимости от изменения входных условий обработки.
4. Разработать модель расчета температуры при ленточном шлифовании позволяющей рассчитать распределение температуры с учетом изменения траектории движения инструмента.
5. Аналитически исследовать динамику тепловых и деформационных процессов в зоне контакта во взаимосвязи с изменением сечения среза единичного зерна, доказать существование всплеска температур в точках изменения траектории
движения инструмента.
6. Провести исследования процесса формирования группы основных показателей качества, таких как точность, шероховатость, остаточные напряжения и предупреждение дефектов в виде прижогов и микротрещин.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач проводились теоретические и экспериментальные исследования, оценивалась точность и
достоверность получаемых результатов. Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания, пластичности, теплопроводности, а также современных положений технологии машиностроения, динамики технологических
систем и трибологии с применением методов математической статистики, теории
вероятностей, многофакторного планирования и регрессионного анализа.
Экспериментальные исследования проводились с использованием современных
методик и аппаратуры, а также современных пакетов компьютерных программ, таких, как Mathcad 14, Femlab 4, Matlab 7, Ansys, Femlab, DEFORM, SIMULINK.
Теоретические положения работы подтверждены положительными результатами комплексных экспериментальных исследований, выполненных как в лабораторных, так и в производственных условиях. Достоверность теоретических положений и результатов экспериментальных исследований подтверждена внедрением
и широким использованием результатов работы на ряде промышленных предприятий.
Научная новизна работы состоит в том, что на основе проведенных автором исследований разработана методология адаптивного управления процессами
контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании
лопаток ГТД внедрение которой, вносит значительный вклад в развитие страны, в
том числе решены важные научные задачи:
1. Разработана математическая модель процесса ленточного шлифования содержащая: вероятностную стохастическую модель зоны контакта, учитывающую
кинематику основных движений; модель элементного стружкообразования на единичном абразивном зерне с большим радиусом режущей кромки и прогрессирующим износом по задней поверхности; модель тепловых процессов при дискретном
представлении зоны контакта.
2. Решена проблема управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании с целью получение заданных
параметров обработанной поверхности методом изменения угловых координат позиционирования контактного элемента.
6
3. Разработаны динамические модели технологической системы механической обработки, позволяющие определить диапазоны ее устойчивости в зависимости от изменения входных условий обработки.
4. Разработана модель расчета температуры при ленточном шлифовании, позволяющая методом конечных разностей, рассчитать распределение температуры в
точках изменения траектории движения инструмента.
5. Аналитически исследована динамика тепловых и деформационных процессов в зоне контакта во взаимосвязи с изменением сечения среза единичного зерна, доказано существование всплеска температур в точках изменения траектории
движения инструмента.
6. Разработано математическое описание процесса формирования группы основных показателей качества, таких как точность, шероховатость, остаточных напряжений и предупреждение дефектов в виде прижогов и микротрещин.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем: на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований
разработана методология адаптации ленточного шлифования, обеспечивающая повышение производительности обработки при достижении заданных параметров
точности и шероховатости с учетом возможностей инструмента и станочного оборудования.
1. Разработаны технологические рекомендации и научно обоснована возможность повышения эффективности процесса шлифования абразивными лентами
за счет изменения режимов обработки и использования опорных роликов различных характеристик.
2. Предложены следующие технологические решения: устройство с пульсирующей зоной контакта, на основе колебаний в плоскости перпендикулярной нормали к поверхности контакта инструмента с деталью; схема снятия припуска по
наименьшей погрешности обработки, учитывающая износ ленты в процессе работы
позволяющая снизить затраты на режущий инструмент при сохранении заданного
качества обработанных поверхностей (уменьшить неравномерность съема, снизить
величину шероховатости и остаточного гребешка, исключить появление рисок на
кромках лопаток).
3. Создан программно-методический комплекс компьютерных программ в
удобной для пользователя форме, позволяющий управлять процессом ленточного
шлифования с целью увеличения его эффективности.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении научно-исследовательских работ в отраслях
авиационной промышленности. Они позволили существенно расширить область
эффективного применения шлифования абразивными лентами при изготовлении
таких деталей, как лопатки ГТД.
Материалы представлены в виде методического и информационного обеспечения по выбору входных технологических условий процесса шлифования с целью
обеспечения требуемых выходных характеристик процесса обработки проточной
части лопаток ГТД. Также предложены практические рекомендаций по наиболее
экономичному использованию абразивного инструмента на эластичной основе,
проектированию приспособлений и применению схем обработки для повышения
эффективности процесса обработки абразивными лентами.
Основные положения диссертации прошли проверку при внедрении процессов ленточного шлифования лопаток ГТД на предприятиях авиационного двигателестроения и турбостроения, в частности при обработке лопаток ГТД на много координатных станках с ЧПУ, внедрены схемы косоугольного шлифования и шли-
7
фование с компенсацией неравномерности обработки вследствие износа ленты.
Экономический эффект от внедрение результатов исследования составил более 50
млн. руб.
В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных при участии автора за период с 2004 по 2013 годы на кафедре "Металлорежущие станки и инструменты им С. С. Силина" Рыбинского государственного авиационного технологического университета.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях «Идеи молодых и новой России» Тула, 2004; «Теплофизика технологических процессов» Рыбинск, 2005; «Проблемы создания перспективных авиационных
двигателей» Москва, 2005; «Мехатроника, автоматизация, управление» Уфа, 2006;
на Международных научно-технических конференциях «Гагаринские чтения» Москва, 2004 – 2006; на международном молодежном форуме «Будущее авиации за
молодой Россией» Москва 2009; на второй всероссийской конференции «Будущее
машиностроения России» Москва 2009 МГТУ им Баумана; III Международная научно-техническая конференция «Авиадвигатели ХХI» ЦИАМ Москва 2010; на четвертой всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» Москва
2011 МГТУ им. Баумана; на пятой всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» Москва 2012 МГТУ им. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работы: в том
числе 16 в центральных издания рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 380 страниц, 119 рисунков, 3 таблицы и список используемых
источников из 110 наименований.
Автор выражает глубокую признательность за ценные консультации по
ряду вопросов и оказанное содействие в проведении работ доценту кафедры
"Резание материалов, станки и инструменты имени С. С. Силина" ФГБОУ ВПО
«Рыбинский государственный авиационный технический университет имени
П.А. Соловьева» к.т.н. Михрютину В. В.
Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность, новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приводится краткий анализ современного состояния ленточного шлифования лопаток ГТД. Большой вклад в развитие ленточного шлифования
и в применение эластичного абразивного инструмента, внесли следующие ученые:
К. С. Митривич, В. Н. Верезуб, Ю. М. Зубарев, А. Ф. Бабошкин, Н. В. Костин, Л. А.
Паньков, Ф. С. Юнусов, Ю. Я. Фельдман, С.Ю. Степанов, Бишутин С.Г. Рассмотрены основные физические закономерности шлифования абразивным кругом и
шлифования абразивной лентой. Выявлен ряд существенных отличий ленточного
шлифования от обработки абразивными кругом, которые обуславливают распространение лентошлифовального оборудования для обработки проточной части лопаток ГТД.
Рассмотрена реализация процесса шлифования на многокоординатных станках с ЧПУ с системой стабилизации усилий, возникающих при обработке, на примере шести координатного лентошлифовального станка Metabo 6NC – 1000. На
данном типе оборудования реализован полусвободный метод строчечного ленточного шлифования, который основан на движении обката эластичным абразивным
8
инструментом криволинейной обрабатываемой поверхности и не способен исправлять погрешности обработки, возникшие на предыдущих операциях. Основная рациональная область применения данного метода сводится к улучшению качества
обрабатываемой поверхности. Таким образом, актуальность «безразмерного» метода строчечного ленточного шлифования как окончательного способа обработки
значительно снижается. На практике возникает острая необходимость в реализации
способа обработки, позволяющего исправлять погрешности обработки с предыдущих операций.
Сделан вывод, что несмотря на применение многокоординатных станков с
ЧПУ и робото-технологических комплексов, получение окончательных размеров
заданных по чертежу осуществляется ручным методом посредством многократного
повторения цикла: измерение, выбор участков с повышенным припуском, обработка этих участков, измерение.
Произведен анализ производственных циклов изготовления лопаток ГТД на
предмет определения удельной трудоемкости операции полирования в общей трудоемкости в целом.
Сделан вывод об актуальности работ направленных на повышение уровня
автоматизации технологии обработки проточной части лопаток ГТД, посредством
исключения операций полирования производимых ручным способом за счет эффективного использования станков с ЧПУ.
На основании анализа научно – технической, патентной литературы и производственных проблем внедрения нового оборудования и инструмента в области
ленточного шлифования поставлены цель и задачи исследования
Во второй главе приведена модель инструмента, учитывающая случайное
расположение абразивных зерен на поверхности инструмента, их форму, разновысотность, упругое отжатие и вибрации в процессе обработки.
Режущую способность шлифовальных лент характеризовали такими основными параметрами как размер зерна, количество зерен, расположенных на единице
поверхности, глубина их залегания, расстояние между зернами и степень притупления зерна. Фактическая режущая поверхность шлифовальных лент, определялась
посредством опытов по снятию отпечатков абразивных зерен, которые получались
путем вдавливания элемента абразивной ленты в стопку листков фольги. Каждый
из листков служил определенным сечением, на глубине которого определялась
площадь и число отпечатков (рисунок 1 – 2).
а)
б)
Рисунок 1. Способ экспериментального определения параметров рельефа абразивной ленты: а) схема; б) экспериментальное определение коэффициента Кс
9
Рисунок 2. Внешний вид абразивной ленты: а) новая лента; б) лента после
приработки в течении 3 мин (суммарный путь одного зерна в зоне контакта Lз =5
м)
На основе математической обработки геометрии отпечатков получена информация о числе зерен и их разновысотности, получены экспериментальные данные о плотности абразивные зерен в переходном слое.
Для многослойных абразивных лент градиент изменения плотности зерен в
переходном слое можно задать зависимостью
K 
K y
СV ( y)  c v exp( c )
Zk
Zk
,
(1)
Kc  v
Cv y 0 
Zk
где Kc – коэффициент пропорциональности находится экспериментально, для каждой марки и зернистости ленты; максимальная объемная плотность зерен, примыкающих к тканевой основе
v 
где
N0
Z K _ min
.
(2)
N0 –
число абразивных зерен находящихся на единице тканевой поверхности;
ZK _ min – минимальный размер зерна, мкм.
Для однослойных абразивных лент градиент изменения плотности зерен в
переходном слое
Cv ( y )  K cv 
Cv
где
Kz _max , K_ z min
y 0
(( K z _ max
Kc y
1
) exp(
))
 K _ z min ) Z K )
( K z _ max  K _ z min )Z K 2
Kc  N 0

( K z _ max  K _ z min )  K _ z min  Z K 2
(3)
– коэффициенты пропорциональности определяются по формулам
K z _ max 
K z _ min 
где
,
Z K _ max ZK _ min
Z K _ max
Zk
Z K _ min
Zk
,
максимальный и минимальный размер зерна, мкм.
(4)
10
Для получения модели инструмента, координаты положения зерна в абразивной ленте xн _ i и zн _ i задавались с использованием генератора случайных чисел, как
случайная величина, причем координата xн _ i в интервале (-Н/2; Н/2), длина которого равна ширине абразивной ленты, а zн _ i в интервале (-l/2; l/2) длина которого равна длине абразивной ленты l. Координата, отвечающая за разновысотность зерен
yн _ i , задавалась как случайная величина с использованием градиента изменения
плотности зерен в переходном слое.
Взаимное расположение центра контактного элемента и обрабатываемой лопатки определялось с использованием динамической линеаризованной трехмассовой системы шестикоординатного станка Metabo 6NC-1000.
Рисунок 3. Динамическая трехмассовая система шестикоординатного станка
Metabo 6NC-1000.
На рисунке 3 представлена кинематика реального процесса формообразования проточной части профиля лопатки ГТД. Для упрощения анализа динамики системы, условно представляли процесс, когда стойка станка считается неподвижной,
а лопатка перемещается относительно инструмента, со скоростями определяемыми
по формуле
Vx _ лин 
где Х ст _ оп _ i , Yст _ оп _ i , Z ст _ оп _ i Аст _ оп _ i
кретных опорных точках.
Х ст _ оп _ i  Х ст _ оп _ i 1

Y
Y
Vy _ лин  ст _ оп _ i ст _ оп _ i 1

Z ст _ оп _ i  Z ст _ оп _ i 1
Vz _ лин 

,
(5)
Аст _ оп _ i  Аст _ оп _ i 1
 x _ лин 

Вст _ оп _ i  Вст _ оп _ i 1
 y _ лин 

C
 Cст _ оп _ i 1
 z _ лин  ст _ оп _ i
Вст _ оп _ i Cст _ оп _ i – координаты стойки станка в кон-
11
 Mc  (М  g  рП )  сos( Bст ( ));


 
 Mc  Z1  Kc  (Z1  Z 2 )  Cc(Z1  Z 2 )  0
 Mр  Z  Кр  ( Z  Z )  Cр( )  (Z  Z )  Kc  ( Z  Z )  Cc(Z  Z )  0
2
2
3
2
3
1
2
1
2
, (6)






 Mл  Z 2  Кл  (Z3  Z3 M ( ))  Cл( x, y )  (Z3  Z3 M ( ))  Кр  (Z 2  Z3  Z3 M ( ))  ...
Cр( )  (Z  Z  Z ( ))  0
2
3
3M


где Mc , Mр , Mл – массы колебательной системы, стойки, ролика, лопатки соответственно; Kc , Кр , Кл – коэффициенты сопротивления, стойки, ролика, лопатки соответственно; Сc , Ср() , Сл( x, y ) – жесткость стойки, ролика, лопатки соответственно;
Z 3 M ( ) – координаты заготовки под опорным элементом, получены на основе пре-
образований координат в соответствии со структурной формулой станка.
Данная система уравнений решалась методом Рунге-Кутта.
Следующим этапом моделирования взаимодействия инструмента с обрабатываемой заготовкой был расчет изменения площади зоны контакта, которая зависит от геометрии лопатки и контактного элемента. Проведен анализ современных
программных продуктов (ANSYS, MSC.NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, QForm,
FORGE, DEFORM, ШТАМП и др.) в результате которого была установлена целесообразность применения для исследования деформации контактного элемента
системы DEFORM.
При установке лопатки в приспособление производится жесткое закрепление за замок и поджим осевой силой с помощью центра. Такую схему моделировали следующим образом – замок, лишается трех степеней свободы, а бобышка с центровым отверстием – двух.
а)
б)
Рисунок 4. а) схема расчета деформаций упругого элемента ролика
б) результаты расчета деформаций профиля вращающегося ролика (зубчатый
ролик) относительно лопатки
Координаты обусловленные, траекторией движения i – го зерна без учета
упругих свойств, задавались уравнением
 x0i   xн _ i 

  
 y0i    yн _ i   M ( ) ,
z  z 
 0i   н _ i 
(7)
12
где xн _ i , yн _ i , zн _ i – координаты в начальный момент времени (расположение на ленте) i – го зерна, м; M ( ) –матрица перехода, определяется в соответствии со структурной формулой станка, на котором происходит обработка.
Процесс формообразования поверхности моделировался, как взаимодействие
группы единичных зерен с обрабатываемой поверхностью. Схема, позволяющая
учесть нестационарный характер процесса резания единичным зерном, представлена рисунке 5.
а)
б)
Рисунок 5 а) Модель зоны контакта зерна с заготовкой б) Схема единичного
взаимодействия абразивного зерна с заготовкой.
Число зерен, которые будут взаимодействовать с заготовкой за время прохождения инструмента через рассматриваемый участок при переменных режимах
шлифования Vл (t ) , Vд , определялось зависимостью
tp

(lb  H )   Vд (t )dt

0
,

tp

 N (t )  lb  Z K _ min   Vл (t )  v dt

0
(8)
где t p – время воздействия инструмента на рассматриваемый участок, с; lb - длина
рассматриваемого участка, мм; Vл (t ) - скорость резания, м/с.
Процесс формообразования поверхности моделировался, как взаимодействие
группы единичных зерен с обрабатываемой поверхностью. При этом в процессе
взаимодействия абразивные зерна отклонялись от вертикали на углы  x ,  z определяемые МКЭ с учетом механических свойств связки, используемой для закрепления зерна. Метод конечных элементов реализован в программном пакете FEMLab
– расширение MatLab с использованием расчетной схемы (рисунок 6).
a)
б)
Рисунок 6. Схема для расчета углов отклонения абразивного зерна  x ,  z от
вертикали и деформаций связки
13
С целью получения профиля обработанной поверхности была разработана
схема снятия припуска единичным абразивным зерном, которая заключается в вычитании области материала ограниченной профилем зерна и заготовки (рисунок7).
Рисунок 7. Схема срезания припуска единичным абразивным зерном
Параметры а и в, определяющие точки пересечения профилей зерна, заданного кусочно-аналитической функцией f3 (tа3 , tb3 , Sxi , S yi ) и заготовки f П (tаП , tbП ) , определялись из уравнения
f3 (tа3 , tb3 , Sxi , S yi )  f П (tаП , tbП ) ,
(9)
где Sxi, Syi,– смещения зерна для двух соседних положений, м; tа3 , tb3 , tаП , tbП – параметры уравнений, определяющие точки пересечения, мм.
Уравнение для расчета микропрофиля получаемой заготовки поперек движения абразивных зерен задавалось функцией
 f П  t  , t   0, taj 

f П  t    f3  t , S xi , S yi  , t   taj , tbj  .

 f П  t  , t   tbj , tl 
(10)
Используя модель абразивной ленты, учитывающей хаотическое расположение абразивных зерен их форму и разновысотность, механические свойства основы;
модель кинематического взаимодействия абразивной ленты с обрабатываемой заготовкой, учитывающей упругих свойства инструмента и микрорельеф обрабатываемой поверхности удалось получить микропрофиль смоделированной поверхности поперек движения абразивных зерен при режимах Vp= 5м/с, Vд=4200 мм/мин,
P=120 H, hc = 1 мм, зубчатый ролик с твердостью 70 ед. по Шору.
а)
б)
Рисунок 8 Профиль смоделированной поверхности Vp= 5м/с, P=120 H, hc = 1 мм
размер зерна Zк = 76 мкм: a) реальный профиль, б) смоделированный профиль.
Пластические свойства обрабатываемого материала учитывались через коэффициент навалов, который определялся посредством системы deform 3d. Задание
14
граничных и начальных условий при моделировании разбиваем на две стадии: момент врезания абразивного зерна; резание материала.
В начальный момент (рисунок 9) времени все напряжения в образце равны
нулю. Граничные и начальные условия выглядят следующим образом:
Г 2 , Г 3 : Vn  0;V  0
Г1 , Г 4 : Рn  0; Р  0
.
(11)
В момент возникновения процесса резания (рисунок 96) граничные и начальные условия выглядят следующим образом:
Г1 , Г2 : Vn  0;V  0
Г1 , Г4 : Рn  0; Р  0
Г5 , Г6 : Рn  0; Р  0 .
А : Fтр _ а    N
(12)
B : Fтр _ в    N
а)
б)
Рисунок 9. а) Схема внедрения абразивного зерна в заготовку б) Схема процесса резания: А – зона контакта абразивного зерна со стружкой; В – зона контакта
абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью
В качестве входных условий для расчета задаются: свойства обрабатываемого материала; число конечных элементов; температура в зоне шлифования; коэффициент трения между абразивным и обрабатываемым материалом.
а)
б)
Рисунок 10. а) Результат моделирования величины навалов: 1, 2 - навалы материала по боковым сторонам следа, оставляемого абразивным зерном б) Результат моделирования величины навалов при резании двумя соседними зернами
15
На основании модели строения абразивного инструмента, модели кинематического взаимодействия инструмента и заготовки сложной формы, модели силы резания единичного зерна были разработаны формулы для расчета глубины шлифования в опорной точке: формула (13) при изменении скорости ленты Vл ; формула
(14) при изменении подачи детали
t
PN
3
(
 х  р  %n  Z з 
)  (х  v  ZK _ min 
Fк  v  ZK _ min
1 4   2
H / vд
 V (t )dt)  K
л
рез
 (1   )
0
H / vд
 V (t)dt
,
л
х  р (
(
t
1
1 
B2
м (
0
H / vд
p
)2
(13)
h
B
3

) c
2
1  B tg( ) 1  4   lk
PN
3
 х  р  %n  Z з 
)  (х  vл  Z K _ min  v  t p )  K рез  (1   )
Fк  v  Z K _ min
1 4  2
1
 м vл 2
B
3
h
х   р ( 2  1 

) c
2
B
 p 1  B tg Н 1  4   lk
,
(14)
где  р – сопротивление пластическому сдвигу; B - тангенс угла наклона условной
плоскости сдвига;  м - плотность обрабатываемого материала;
 н - среднее
значение переднего угла;
 - средний коэффициент трения по задней
поверхности; K рез – коэффициент, оценивающий число режущих зерен, равный
отношению режущих зерен в контактной площадке к общему числу зерен в
контактной площадке;  – коэффициент навалов, определяется как отношение
площади навалов материала к площади царапины в поперечном сечении, в работе
получена зависимость коэффициента навалов от предела прочности σв
обрабатываемого материала.
Произведено сравнение теоретических и экспериментальных данных по
глубине съема и получаемой шероховатости обработанной поверхности
а)
б)
Рисунок 11. Сравнение работы модели по расчету глубины съема и эксперимента: 1; 4) – теоретически, для лент 953 FА и 967F соответственно; 2; 3) – экспериментально: 2) ленты 953 FА зернистость А300, А120, А100, А60, А30; 3) ленты
967F зернистость Р40, Р80, Р120, Р180, Р220.
16
Расхождение экспериментальных и теоретических данных оказалось не более 15 %.
Используя возможности современной вычислительной техники, автором разработана модель расчета распределения температур, позволяющая учитывать изменение теплофизических величин в зависимости от температуры, от разворота инструмента к направлению подачи.
В качестве примера для апробации предложенной модели был выбран процесс ленточного шлифования на шести координатном ленто-шлифовальном станке
Metabo 6NC – 1000. Данный станок позволяет осуществлять обработку криволинейных поверхностей, в том числе и перо лопаток ГТД.
Исходным уравнением для моделирования распределения температур при
ленточном шлифовании являлось дифференциальное уравнение теплопроводности
(15).
        

(
 ( )  ( ) 
 c   х
х y
y
z
z

.

(15)
Граничные и начальные условия, необходимые для однозначного решения
уравнения теплопроводности (15), в этом случае представляют систему следующих
уравнений

y
y 0
х 0 vист  ; Н  vист  
z  l / 2;l / 2 

q( x, z )  к ( x, z )

;



y
y 0
х 0 vист  ; Н  vист  
z  l / 2, z l / 2

0
 ,

(16)
где q( x, z ) - интенсивность теплового источника в точке контакта с координатами
х, у, Вт/м2;  0 - коэффициент теплообмена на свободной поверхности, Вт/(м2·К);
2
 ę - коэффициент теплообмена в зоне контакта, Вт/(м · К); Н – ширина ролика, мм; l
– длина контактной площадки, мм.
В предлагаемой модели использовался метод конечных разностей, который
основан на делении времени процесса  на интервалы  , а в пространственных
координатах х, у, z на интервалы х, у, z . Расчет температурного поля сводится к
серии алгебраических операций.
При расчете на исследуемое сечение тела наносится сетка вертикальных и
горизонтальных линий (рисунок 12), соответственно i = 0,1,2,3…. Iк; j =
0,1,2,3….Jк; р = 0,1,2,3..Рк .
а)
б)
Рисунок 12. а) Схема сеточной области; б) Схема расчета температурных
полей детали от движущегося источника тепла
Выражения изменения теплопроводности (17) и теплоемкости материала (18)
для титановых сплавов были получены при помощи математической обработки
экспериментальных данных
17
i , j , p , k ( i , j , p ,k )  2.239 10 5   2i , j , p , k  2.646  10 3  
i, j , p,k
9 .
(17)
ci , j , p, k (i , j , p, k )  0.13 i , j , p ,k  590 .
(18)
Адекватность зависимостей (17) и (18) оценивалась коэффициентом корреляции, равным 0.988 и 0.98 соответственно. Вычислительный эксперимент, проведенный при следующих исходных данных Pz =150 Н, S = 400 мм2, Н=20 мм,
гладкий ролик диаметром 150мм, Vл = 10 м/с, VД = 5 м/мин,  0 = 5000 Вт/(м2· К)
,  k =2000 Вт/(м2· К), показал, что разность максимальных температур рассчитанных
для случая с постоянными теплофизическими величинами a(320)= 4·10-6 м2/с
 (320) =11 Вт/(м· К) и изменяемыми, рассчитанными с использованием формул
(21), (22) составляет 10%.
При обработке лопаток с постоянном усилием прижима на лентошлифовальных станках с ЧПУ часто возникают прижоги. С использованием метода
конечных разностей удалось получить изменение температур в зоне обработки для
следующих исходных данных Pz =150 Н, l=20 мм, Н =20 мм, Vр = 10 м/с, гладкий
ролик диаметром 150мм, VД = 1 м/мин,  0 = 5000 Вт/(м2· К),  к =2000 Вт/(м2· К),
рисунок 13 а) с разворотом ролика к направлению подачи (α = 45о), б) без разворота
к направлению подачи.
а)
б)
Рисунок 13. Распределение температуры на поверхности лопатки: а)традиционная схема; б) схема с разворотом ролика под углом к направлению подачи
С целью апробации предложенной модели были проведены эксперименты по
замеру максимальных контактных температур по ширине зоны контакта Рисунок
12.
Рисунок 12. Сравнение теоретических и экспериментальных данных: 1,2 - без
разворота ролика: 1 – эксперимент, 2 – теоретические данные; 3,4 - с разворотом
ролика (α = 45о): 3 – эксперимент, 4 – теоретические данные.
18
Сравнение экспериментальных данных с данными вычислительного эксперимента показало расхождение не более 15%.
На основе анализа теоретических и экспериментальных данных были сделаны следующие выводы: 1) учет теплофизических величин позволяет уточнить величину максимальной контактной температуры на 10%; 2) применение метода конечных разностей позволило рассчитать изменение максимальной контактной температуры при развороте ролика к направлению подачи; 3) за счет разворота ролика
к направлению подачи на угол α возможно снизить температуру на окончательно
формообразующих участка зоны контакта на 10-15 %.
В третьей главе произведена разработка методов управления режущей способностью.
Для установления параметров, касающихся производительности, качества
обработки, стойкости и режущей способности абразивных лент произведен эксперимент по определению выступа абразивного зерна от пути в зоне контакта и скорости ленты, также приведено прогнозирование величины режущего выступа в зависимости от скорости ленты на основе интерполяции экспериментальных данных.
Рисунок 14. а) зависимость выступа абразивного зерна от пути лента VSM P40
SK750X vД = 4,8 м/мин; hс = 2 мм; P = 250 Н; b = 25 мм; б) зависимость выступа
абразивного зерна в случае управления по скорости ленты.
После обработки экспериментальных данных получена следующая зависимость
с коэффициентом корреляции 0.98
30.18 Lз  63.37ln( Lз )  424.5  vл  5 м / с

. (19)
hз (vл, Lз )  11 Lз  149ln( Lз )  469.75  vл  10 м / с

56 Lз  240ln( Lз )  519.8  vл  15 м / с
Ухудшение режущей способности абразивной ленты при обработке крупногабаритных лопаток приводит к тому, что обработанная поверхность имеет плавно
увеличивающееся отклонение по профилю проточной части. Устранение такой погрешности возможно путем назначения скорости ленты или скорости перемещения
детали на основе использования формул (13)(14) и (19). Применение данной схемы
позволило снизить погрешность обработки от износа ленты с 0,25 до 0,05мм, что
позволяет рекомендовать данную схему для предварительной обработки в случае
равномерного характера распределения припуска.
В рамках данной работы автором были исследованы три стратегии управления
глубиной съема, выявлены достоинства и недостатки. Для реализации данных стратегий были выбраны три лопатки с одинаковым распределением припуска с предыдущей операции, составлена управляющая программа (УП) таким образом, чтобы
опорные точки приходились на контролируемые сечения.
19
Управление глубиной съема осуществлялось в 35 точках, нумерация которых
осуществлялась в соответствии с траекторией движение инструмента согласно схеме (рисунок 15), обработка производилась на спинке лопатки с участка от замка до
бандажной полки.
Рисунок 15. Схема расстановки опорных точек
В качестве номинальных режимов были выбраны следующие Vд = 3 м/мин,
Vл = 10м/с, Р=150 Н (обеспечивают глубину съема 0,2 мм, при использовании
контактного ролика 70 ед. Шору, абразивной ленты VSM P40 SK750X; h = 1 мм –
подача на строку ; b = 25 мм – ширина ролика).
Первая стратегия, определяла управление глубиной снимаемого припуска за
счет изменения подачи детали. В этом случае при необходимости снятия припуска
большей величины производится снижение подачи лопатки, тем самым
увеличивается время обработки и число зерен проходящих через рассматриваемые
участки с большим припуском.
1 – припуск до обработки; 2 – припуск после обработки
Рисунок 16. Результат обработки по назначенным режимам шлифования
Среди достоинств данной схемы: высокая предсказуемость результатов,
разброс колебаний припуска после обработки до 0,05 мм; сравнительно не большой
расход инструмента, после обработки спинки лопатки по указанным режимам
режущая способность снизилась на 16 %, глубина съема для номинальных режимов
0,17 мм; стабильное качество обработки Ra = 2,8 -3,2 мкм. В качестве недостатков
сравнительно невысокая производительность, машинное время 12,7 мин.
Вторая, определяет изменение скорости перемещения ленты, тем самым в
случае необходимости снятия припуска большей величины, увеличивается
скорость инструмента.
20
1 – припуск до обработки; 2 – припуск после обработки
Рисунок 17. Результат обработки по назначенным режимам шлифования
Достоинством данной схемы является высокая производительность, машинное
время 7 мин. Отрицательной стороной данной стратегии является: сложная
прогнозируемость глубины снимаемого припуска в связи с потерей режущей
способности, разброс колебаний припуска после обработки до 0,08 мм; большой
расход инструмента. После обработки спинки лопатки по указанным режимам
режущая способность снизилась на 25 %, глубина съема для номинальных режимов
0,15 мм; стабильное качество обработки Ra = 2,6 -3,2 мкм.
Третья стратегия, определяла изменение давления инструмента, тем самым в
случае необходимости снятия припуска больше номинальной
величины,
увеличивалось давление инструмента.
1 – припуск до обработки; 2 – припуск после обработки
Рисунок 18. Результат обработки по назначенным режимам шлифования
Достоинством данной схемы является высокая производительность, машинное
время 7 мин. Отрицательной стороной данной стратегии является: худшая
прогнозируемость глубины снимаемого припуска в связи с изменением режущей
способности, разброс колебаний припуска после обработки до 0,1 мм; большой
расход инструмента. После обработки лопатки по указанным режимам режущая
способность снизилась на 30 %, глубина съема для номинальных режимов 0,14 мм;
21
нестабильное качество обработки Ra = 2,6-4 мкм, возникают глубокие риски на
обработанной поверхности до 0,07 мм.
В случае если необходимо решать проблемы с технологической наследственностью, т.е. с неравномерностью припуска с предыдущей обработки то обработку
производить целесообразно с использованием схемы адаптивного шлифования.
Алгоритм назначения режимов шлифования, адаптированных под исходное
состояние заготовки с неравномерным распределением припуска базируется на использовании следующих моделей:
- модель движений многокоординатного ленто-шлифовального станка с
учетом упругих свойств технологической системы, позволяющая прогнозировать
положение инструмента относительно обрабатываемой детали в любой момент
времени;
- модель деформации контактного элемента и заготовки сложной формы,
позволяющая рассчитать распределение давления по перу лопатки в любой момент
времени;
- модель формообразования поверхности, позволяющая учитывать не только форму зерен, их размеры, ориентацию в пространстве, но и сложное движение
зерна в зоне контакта, обусловленное упругими свойствами инструмента, а также
микро и макропрофилем обрабатываемой поверхности.
На первом этапе создания адаптивной программы задаются координаты точек, в которых пишется управляющая программа согласно координатам контролируемых сечений, далее происходит замер профиля лопатки и анализ распределения
припуска по каждому сечению в опорных точках рисунок 19а. На основе распределения припуска происходит расчет параметров управляющей программы с различными режимами: скоростью ленты и подачи стола, для увеличения глубины съема
следует уменьшить подачу детали и увеличить скорость ленты, для уменьшения
глубины съема необходимо напротив увеличить подачу детали и уменьшить скорость ленты.
а)
б)
Рисунок 19. а ) окно припасовки измеренного профиля с профилем по математической модели; б) Оснастка с нулевой точкой базирования Shunk, позволяющая без раскрепления лопатки осуществлять базирование с точностью 5 мкм: 1 –
замок лопатки; 2 – плита к которой крепиться зажимная станция; 3 – палец;
4 – зажимная станция.
22
а)
б)
Рисунок 20. а ) Схема расположения точек для задания УП; б) кадр УП с корректированными режимами
Применение данной схемы позволило исправить неравномерность припуска
с предыдущей операции обработки с 0,4 до 0,06 мм, что позволяет рекомендовать
данную схему для черновой обработки в случае не равномерного характера распределения припуска.
Применение схемы адаптивного шлифования имеет ограничения при обработке лопаток небольших размеров, в случае, когда ширина контактного элемента больше расстояния между контролируемыми сечениями. В этом случае
предлагается для выравнивания погрешности с предыдущей операции (фрезерования), опорные точки расставлять в соответствии с координатами контролируемых сечений, таким образом, чтобы были зафиксированы положения ролика, соответствующие входной серединой и выходной координатам.
Управление глубиной съема предлагается осуществлять за счет перераспределения давления в зоне контакта инструмента и заготовки посредством наклона
ролика на угол В относительно нормали в плоскости образованной нормалью и направлением подачи инструмента. Угол наклона В задавался, таким образом, чтоб
наибольшее суммарное давление приходилось на сечения с большим припуском.
Величина угла В определялась на основе расчета интегрального уравнения
t
1 H
(  Vd  t )  sin( B   y  t )  dt   R  K t ,
t 0 2
(20)
где H – ширина ролика, мм;  y – скорость изменения угловой координаты В,
рад/с;  R – деформация ролика при традиционной схеме шлифования, мм; K t – коэффициент равный отношению глубины съема в рассматриваемом сечении по оптимизированной схеме шлифования к величине съема по традиционной; Vd – скорость перемещения инструмента.
а)
б)
Рисунок 21. а) схема формообразования ; б) схема выбора угла наклона ролика В
23
Параметры а и в, определяющие точки пересечения профилей инструмента,
заданного кусочно-аналитической функцией f u (tаu , tbu , S xi , S yi )
и заготовки
f П (tаП , tbП ) , определялись из уравнения
(21)
f u (tаu , tbu , S xi , S yi )  f П ( tа П , tbП ) ,
где Sxi, Syi,– смещения инструмента, м; tаu , tbu , tа П , tbП – параметры уравнений, определяющие точки пересечения профилей инструмента и заготовки, мм.
Уравнение для расчета профиля получаемой поверхности поперек движения
абразивных зерен задавалось функцией
 f дет  t  , t   0, taj 

f П  t    fu  t , S xi , S yi  , t  taj , tbj  ,

 f заг  t  , t  tbj , tl 
(22)
где tl – параметр, определяющий длину профиля заготовки, мм.
С использованием предлагаемых моделей удалось получить профиль поверхности вдоль строки по перу лопатки для схемы традиционного шлифования и
для оптимизированной схемы с учетом распределения припуска с предыдущей
операции. Изменение угла наклона ролика в зависимости от координаты центра
приведено на Рисунок 23. б). При моделировании использовались следующие исходные данные: Pу =150 Н, Н=20 мм, Vр = 10 м/с, гладкий ролик диаметром 150мм,
VД = 3000 м/мин, лента Trizact 953 FA A 300.
Рисунок 22. Результаты численного моделирования и сравнение с экспериментальными данными: а) профиль поверхности: 1 – до моделирования обработки,□ – экспериментальные точки, 2 – профиль поверхности после моделирования
обработаной традиционной схемой, x - экспериментальные точки; 3 – профиль
поверхности после моделирования обработки по оптимизированной схеме, ○ – экспериментальные точки; б) зависимость угла разворота ролика от координаты перемещения центра ролика
В рассмотренном примере поверхность до обработки в виде впадин и выступов задавалась кусочно-аналитической функцией. Величина погрешности с предыдущей операции в данном случае составляла 0,15 мм, допуск по чертежу задан 0,1
24
мм. Применение традиционной схемы ленточного шлифования позволило лишь
частично выровнять припуск. Коэффициент исправления ( Ku _ выст  1,05; Ku _ впад  1,025 )
определялся по следующей формуле
t 
K u _ выст   max 
 tH 
 t 
K u _ впад   H 
 t min 
,
(23)
где Ku _ выст , Ku _ впад - коэффициенты исправления по наибольшему выступу и по наибольшей впадине, соответственно; tmax , t H , tmin  максимальная, номинальная, минимальная величина снимаемого припуска.
Таким образом, величина погрешности определялась ( i  0,135 ) по формуле
i  i 1  Ku _ выст  t H  Ku _ впад  tH ,
(24)
где i ,  i1 - погрешности до и после выполнения соответствующего прохода на
операции.
Использование схемы выравнивания погрешности за счет разворота ролика в
вертикальной плоскости относительно оси перпендикулярной к направлению подачи позволило увеличить коэффициенты исправления по наибольшему выступу и по
наибольшей впадине, до величин Ku _ выст  2,1; Ku _ впад  2,05 соответственно и снизить
величину погрешности до значения i  0, 065 , данная величина соответствовала
требованию чертежа. После обработки по оптимизированной схеме поверхность
приобрела волнистый характер, наибольшая глубина волн не превышала 0,03 мм.
Волнистость поверхности была устранена за счет окончательных проходов по традиционной схеме обработки.
При обработке на многокоординатных станках сложных поверхностей на поверхности детали формируются отклонения геометрии называемые «остаточными
гребешками». Снижение величины «остаточных гребешков» может быть достигнуто малым шагом между строчками, однако в этом случае происходит увеличение
неравномерности съема вследствие износа ленты. Полностью исключить возникновение следов обработки в виде остаточного гребешка возможно достигнуть путем
применения зигзагообразной схемы обработки
Рисунок 23. Схема зигзагообразного движения: hc – подача на строку,
Н – ширина зоны контакта.
Применение данной схемы приводит к трудоемкому созданию управляющей
программы, такого же результата можно достичь за счет применения устройства с
пульсирующей зоной контакта патент №103302.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований
ленточного шлифования лопаток ГГД. Экспериментальные исследования проводились на многокоординатном станке Metabo 6 NС – 1000.
Для анализа степени влияния режимов шлифования и параметров инструмента на максимальную контактную температуру была проведена серия экспе-
25
риментов. Производилось шлифование лопаток из сплава ВТЗ-1 многослойными
абразивными лентами с замерами температур в зоне обработки. Измерение температуры выполнялось с помощью хромель-алюмель термопары диаметром 0,3 мм и
фиксировалось прибором для замера температур.
Исследования проводились с использованием контактного ролика диаметром
75 мм твердостью 75 ед. по Шору. В качестве инструмента при исследовании была
выбрана многослойная абразивная лента Trizact 953 FA .
Полученные экспериментальные данные приведены на Рисунок 25-30. Экспериментальные кривые показывают, что происходит заметное изменение температуры от основных режимов шлифования: Ру – силы прижима ролика, Vд – скорости
движения детали, Vл – скорости ленты, h – шага между строчками, φ – угла разворота ролика к направлению подачи, Z3 – зернистости ленты.
а)
б)
в)
Рисунок 24. Зависимость максимальной температуры в зоне шлифования от
объема снятого металла Vд = 4,8 м/мин; h = 1 мм; P = 250 Н; b = 25 мм: а) лента
VSM P40 SK750X размер зерна 500 мкм; б) лента 3M Trizact 953FA A300 (размер
зерна 250 мкм); в) зависимость максимальной температуры в зоне шлифования от
скорости вращения ленты: лента 3M Trizact 953FA A300; P = 250 Н Vд = 4,8 м/мин;
h = 2 мм; b = 25 мм
Увеличение производительности обработки возможно за счет интенсификации процесса ленточного шлифования, а именно за счет увеличения скорости ленты Vл (Рисунок24 в) и усилия прижима Ру (Рисунок25 а).Уменьшение времени
обработки при ленточном шлифовании может быть достигнуто за счет увеличения
подачи детали в продольном направлении Vд, а также за счет увеличения подачи на
строку h. С увеличением Vд и h максимальная контактная температура шлифования снижается, основной причиной снижения является уменьшение времени действия теплового источника на поверхность детали. При увеличении шага между
строчками h температура в зоне контакта снижается вследствие распределения тепловых потоков на большую площадь.
Влияние данных параметров на контактную температуру представлены на
графиках рисунок 25 б), в) соответственно.
Произведен расчет изменения температур в точках А, В, С (рисунок 27.) в
течении времени, которое требуется для перемещения инструмента от середины
пера лопатки до краевой точки и обратно.
26
а)
б)
в)
Рисунок 25. Зависимость максимальной температуры в зоне шлифования:. а) от
усилия прижима; 3M Trizact 953FA A300; Vл = 13,5 м/с Vд = 4,8 м/мин; h = 2 мм; b
= 25 мм; б)от скорости перемещения детали: 3M Trizact 953FA A300;Vл= 10 м/с; h
= 1 мм; b = 25 мм; Р=200 Н ; в) от шага между строчками:3M Trizact 953FA
A300;Vл= 10 м/с; Vд = 4,8 м/мин; b = 25 мм; Р=200 Н.
Рисунок 26. Схема расчета температур в краевой точке
Установлена зависимость температур от скорости перемещения теплового
источника, для исходных данных Pz =150 Н, S = 375 мм2, Н=25 мм, Vр = 10 м/с, VД =
0.5-10 м/мин,  0 = 2000 Вт/(м2· оС) ,  к =5000 Вт/(м2· оС), oc  0.3c , приведена на Рисунок 30. На Рисунок 28 приняты следующие обозначения : 1 – максимальная контактная температура в момента входа в краевую область ВС, 2 – максимальная
контактная температура в момент выхода инструмента из краевой области ВС, 3 –
максимальная контактная температура в точке А в момент выхода инструмента из
краевой области ВС
а)
б)
Рисунок 27. а) Зависимость контактной температуры от времени: 1 – точка
А, 2– точка В, 3 – точка С б) Зависимость максимальной контактной температуры
от скорости перемещения инструмента
27
Сравнение экспериментальных данных с данными вычислительного эксперимента показало расхождение не более 15%.
Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных
лопаток показало, что в поверхностных слоях как спинки, так и корыта формируются сжимающие остаточные напряжения (рисунок 28), благоприятные с точки
зрения долговечности данных деталей.
Распределение остаточных напряжений по сердцевине лопатки определено
методом Даведенкова ( P = 100 Н; hс = 1 мм; vд = 6 м/мин; vл = 2,5 м/с; 3M Trizact
953FA A16), в поверхностном слое с использованием дифрактометра рентгеновского XTRESS 3000.
а)
б)
Рисунок 28. а) Распределение остаточных напряжений первого рода ост
по глубине h поверхностного слоя. б) Исследование остаточных напряжений
в поверхностном слое (рентгеноструктурный метод):1 – α = 30º; 2 – α = 15º; 3 – α =
0º
Результаты эксперимента объясняются меньшей теплонапряженностью процесса ленточного шлифования по сравнению с обработкой абразивным кругом.
Для определения зависимости величины остаточных напряжений от скорости
шлифования Vp и угла разворота ролика  был поставлен эксперимент – обрабатывались лопатки из материала ВТ3-1 на режимах Vд = 6 м/мин; hс = 1 мм; P = 400 Н,
лента Trizact 953FA A16; Vp=6-18м/c, ролик (рифленый) диаметром 150 мм, 32 выступа, соотношение размеров выступов к впадинам 3:1, твердость эластичного покрытия ролика 70 ед. по Шору, b = 25 мм (ширина ролика).
Таким образом, разворот ролика относительно направления подачи повышает долю сжимающих остаточных напряжений. Этот факт можно объяснить меньшей теплонапряженностью окончательно формообразующих участков зоны контакта осуществляющих окончательное формообразование.
В пятой главе представлена методология управления процессами контактного взаимодействия инструмента и заготовки при ленточном шлифовании. Функциональное взаимодействие моделей можно проанализировать на примере схемы
(Рисунок30).
Разработана программа, которая позволяет до начала обработки произвести
геометрическое моделирование процесса обработки и выявить узкие места технологического процесса.
Подробно исследованы три стратегии получения требуемой геометрии:
управление скоростью ленты, подачей детали, давлением в зоне контакта. С целью
получения максимальной производительности целесообразно определить опти-
28
мальное соотношение РN , Vд , Vл . Определение оптимального значения нормального контактного усилия сводиться к достижению максимально возможного числа
режущих зерен в зоне контакта.
Рисунок 29. Схема взаимодействия моделей при адаптивном ленточном
шлифовании
Сделан вывод о целесообразности применении стратегии управления подачей детали при оптимальной с точки зрения производительности скорости ленты.
Скорость ленты существенно влияет на производительность обработки, но при
этом, увеличение скорости инструмента увеличивает скорость потери режущей
способности абразивных зерен. Соответственно задача определения режимов обработки при выбранном РN , сводиться к определению соотношения режимов Vл, Vд.
Для этой цели предлагается использовать систему уравнений
29
Vл
lk

Vд _ i ( )  v   b  x  az ( )   K рез  (1   )
ti
hc
,

a ( )  f (n%)
 z
(25)
где az ( ) - сечение среза, снимаемое единичным зерном, определяется итерационным методом.
Изменяя скорость абразивной ленты, с небольшой дискретностью, можем
оценить динамику изменения суммы съемов припуска в опорных точках, при этом
максимальное значение производительности будет определять такое значение скорости ленты, при котором будет выполнено условие
(26)
 Vд _ i  max .
Внедрение результатов работы проводилось на предприятии ОАО «НПО
«Сатурн» при обработке лопаток ГТД. Предложенный метод адаптивного шлифования позволил полностью отказаться от операций ручного полирования проточной
части пера лопатки.
В результате реализации адаптивного ленточного шлифования разработаны
технологические рекомендации для определения рациональных режимов ленточного шлифования, выбора схем шлифования, вида и геометрических параметров контактного элемента, марки и зернистости абразивных лент, а также
ряд технических решений по снижению величины остаточного гребешка и шероховатости обработанной поверхности.
Эффективность внедрения научно-технических разработок направленных на
повышение эффективности адаптивного ленточного шлифования определялась через увеличение производительности процесса шлифования за счет интенсификации
режимов, экономии абразивных лент и времени на смену инструмента а также
уменьшение времени на передел брака. В среднем повышение эффективности технологических операций выразилось в снижении расхода абразивных лент на 30 % и
снижении трудоемкости обработки на 60 %, исключение операции ручного полирования профиля пера лопатки ГТД.
Экономический эффект от внедрения разработок составил более 50 млн. руб.
Общие выводы по диссертации
В настоящей работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения обработки проточной части лопаток ГТД на основе разработки
методологии адаптивного управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой внедрение которых, вносит значительный вклад в развитие
страны.
Данные положения подтверждаются следующими выводами и результатами:
1. Разработанная математическая модель процесса ленточного шлифования
содержащая: вероятностную стохастическую модель зоны контакта, учитывающую
кинематику основных движений многокоординатного профилешлифовального
оборудования и инструмента с учетом упругих свойств технологической системы,
позволила решить задачу расчета перемещений инструмента относительно заготовки сложной пространственной формы для любого момента времени.
2. Предложенная модель рабочей поверхности абразивной ленты позволила
учесть случайное расположение абразивных зерен на поверхности инструмента, их
форму, разновысотность, упругое отжатие, вибрации абразивных зерен в процессе
обработки, износ режущих граней абразивного зерна в результате истирания и
скола.
30
3. Решение задачи управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании позволило получить заданные
параметры качества обработанной поверхности методом изменения угловых координат контактного элемента и управления расположением опорных точек для обеспечения требуемого кинематического и динамического взаимодействия инструмента и заготовки.
4. Исследования динамики деформационных процессов ленточного шлифования и создание динамической модели технологической системы позволили определить диапазон устойчивости процесса ленточного шлифования в зависимости от
изменения входных условий обработки.
5. Исследования динамики тепловых процессов в зоне контакта при адаптивном ленточном шлифовании, позволили установить существование всплеска температур в точках изменения траектории движения инструмента, в результате были
определены методы снижения максимальных контактных температур в случае интенсификации процесса обработки.
6. Предложенный ряд технических решений позволил уменьшить неравномерность съема, снизить величину шероховатости и остаточного гребешка, исключить появление рисок на кромках лопаток:
- применение устройства с пульсирующей зоной контакта, позволил снизить
шероховатость, величину остаточного гребешка и исключить появления рисок на
кромке лопаток;
- предложена схема снятия припуска, учитывающая изменения режущей способности ленты, позволила снизить погрешность обработки в результате износа
инструмента на 80 %.
7. Разработанная методология адаптивного ленточного шлифования лопаток
ГТД на основе управления процессами контактного взаимодействия инструмента с
заготовкой позволила провести анализ существующих схем обработки для выравнивания неравномерности припуска с предыдущих операций и выработать методы принятия оптимальных решений для различных технологических задач.
8. Разработана методика оптимизации операции адаптивного ленточного
шлифования и компьютерная реализация, позволила минимизировать затраты при
достижении требуемой точности обработки лопаток ГТД за счет снижения расхода
абразивных лент на 30 %, снижения трудоемкости обработки на 60 %, а также полностью отказаться от операций ручного полирования проточной части пера лопатки.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Полетаев, В. А. Ленточное шлифование крупногабаритных лопаток газотурбинных двигателей на станках с ЧПУ [Текст] / В. А. Полетаев, В. В. Михрютин,
А. А. Коряжкин // СИЖ. – 2005.– №10. – С.10 – 16.
2. Коряжкин, А. А. Повышение точности ленточного шлифования широкохордных лопаток компрессора ГТД на станках с ЧПУ [Текст] / А. А. Коряжкин, В.
В. Михрютин, // СИЖ. – 2009.– №10. – С.10 – 16.
3. Коряжкин, А. А. Оптимизация процесса ленточного шлифования при обработке широкохордных лопаток ГТД [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, //
«Технология машиностроения». – 2011.– №01. – С.10 – 18.
4. Коряжкин, А. А. Влияние входных параметров ленточного шлифования на
максимальную температуру в зоне контакта инструмента и детали [Текст] / А. А.
Коряжкин, Д. И. Волков, // СИЖ. – 2011.– №04 . – С.10 – 16.
31
5. Коряжкин, А. А. Влияние входных параметров ленточного шлифования на
максимальную температуру в зоне контакта инструмента и детали [Текст] / А. А.
Коряжкин, Д. И. Волков, // СИЖ. – 2011.– №07 . – С.10 – 16.
6. Коряжкин, А. А. Разработка модели абразивной ленты, учитывающей стохастические факторы [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, // «Фундаментальные
и проблемы техники и технологии» . – 2011. – №01.– С.28 – 34.
7. Коряжкин, А. А. Улучшение качества и точности обработки лопаток ГТД
при ленточном шлифовании путем применения технических [Текст] / А. А. Коряжкин, В. А. Полетаев, Д. И. Волков, // СТИН. – 2011. – №09.– С.20 – 28.
8. Коряжкин, А. А. Стохастическая модель износа абразивной ленты при
шлифовании лопаток компрессора ГТД [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, //
Вестник РГАТА.– 2011. – №2.– С.132 –138.
9. Коряжкин, А. А. Расчет температур методом конечных разностей с постояным усилие прижима [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, // СТИН. – 2011. –
№12.– С.21 – 25.
10. Коряжкин, А. А. Расчет температур методом конечных разностей при ленточном шлифовании с постоянным усилием прижима при косоугольной схеме
шлифования [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, // Вестник УГАТУ.– 2011. –
№3.– С.79 –84.
11. Коряжкин, А. А. Оптимизация процесса ленточного шлифования на многокоординатных станках с ЧПУ [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, // Вестник
УГАТУ.– 2011. – №3.– С.84 –90.
12. Коряжкин, А. А. Повышение точности обработки путем управления процессами контактного взаимодействия режущего инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании лопаток [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, // СТИН. –
2012. – №4– С.30 – 35.
13. Коряжкин, А. А. Повышение качества лопаток ГТД [Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, // «Технология машиностроения» 2012. – №04.–С 10–18.
14. Коряжкин, А. А. Адаптивное ленточное шлифование лопаток ГТД [Текст] /
А. А. Коряжкин, Д. И. Волков, // СТИН. – 2013. – №6– С.5 – 9.
15. Коряжкин, А. А. Повышение эффективности адаптивного ленточного шлифования за счет программируемого управления условиями обработки [Текст] / А.
А. Коряжкин, Д. И. Волков, // Научно-технический вестник Поволжья – 2013. –
№3– С.181 – 185.
16. Коряжкин, А. А. Адаптивное ленточное шлифование лопаток ГТД на многокоординатном станочном оборудовании.[Текст] / А. А. Коряжкин, Д. И. Волков,
// Вестник РГАТА.– 2013. – №2.– С.42 –47.
Публикации в прочих изданиях и сборниках трудов:
1.
Коряжкин, А. А. Определение сечения среза при нестационарных условиях обработки [Текст] / А. А Коряжкин // Идеи молодых и новой России:
мат. науч-техн. конф. – ТулГУ, 2004. – С. 15.
2.
Михрютин, В. В Моделирование профиля рабочих кромок режущего
инструмента [Текст] / В. В. Михрютин, А. А. Коряжкин // Инструмент и технологии. – СПб: 2004.– №17–18. – С.108 – 112.
3.
Коряжкин, А. А. Пути повышения точности изготовления лопаток
ГТД на ленточно – шлифовальных станках [Текст] / А. А Коряжкин, А. В. Толкачев // Проблемы создания перспективных авиационных двигателей: мат. научтехн. конф. –М; ЦИАМ, 2005. – С.261 – 262.
32
4.
Михрютин, В. В. Моделирование геометрии поверхности при строчечном ленточном шлифовании [Текст] / В. В. Михрютин, А. А. Коряжкин //
Теплофизика технологических процессов: мат. науч-техн. конф. – Рыбинск:
РГАТА, 2005. – С. 35 – 38.
5.
Коряжкин, А. А. Анализ недостатков управляющих программ для
многокоординатных ленточношлифовальных станках с ЧПУ [Текст] / А. А. Коряжкин //ХХХI Гагаринские чтения: в т 3 . – Т. 2. Повышение надежности узлов
агрегатов летательных аппаратов: тез. докл. – М; МАТИ, 2005. – С 37.
6.
Михрютин, В. В. Учет влияния деформаций контактного ролика на
формообразование при ленточном шлифовании [Текст] / В. В. Михрютин, А. А.
Коряжкин// Мехатроника, автоматизация, управление: мат. науч-техн. конф. –
Уфа: УГАТУ, 2005. – С.201 – 205.
7.
Коряжкин, А. А. Повышение точности абразивной обработки на основе моделирования компенсаций износа [Текст] / А. А. Коряжкин // ХХХII Гагаринские чтения: в т 3. – Т. 2. Повышение надежности узлов агрегатов летательных аппаратов: тез. докл. – М; МАТИ, 2006. – С.49.
8.
Михрютин, В. В. Расчетное определение характеристик зоны контакта при ленточном шлифовании поверхностей сложной формы [Текст] / В. В.
Михрютин, А. А. Коряжкин // Авиационная и ракетно-космическая техника с
использованием новых технических решений: мат. науч-техн. конф. – Рыбинск:
РГАТА, 2006. – С.217 – 220.
Патенты и свидетельства:
Пат 103320 Российская Федерация. Устройство для ленточного шлифования [Текст ] / Коряжкин А. А., Стогов В. С., Волков Д. И.; заявитель и патентообладатель ОАО «НПО «Сатурн». - №2007126880; заявл. 28.10.2010 опубл. 10.04.2011.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа