Повышение эффективности шлифования деталей ГТД на основе контроля качества абразивного инструмента с учетом структурной неоднородности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Михрютин, Олег Владимирович

• Михрютин, Олег Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михрютин, Олег Владимирович

7

Глава 1 .Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. 11 1.1. Вопросы обеспечения качества инструментов, поступающих на операции шлифования.

1.1.1. Формирование качества абразивных инструментов.

1.1.2. Нестабильность свойств инструментов.

1.1.3. Связь нестабильности свойств пористого инструмента с дефектами шлифования деталей ГТД.

1.2. Обзор методов контроля абразивных инструментов

1.2.1. Механические методы контроля.

1.2.2. Динамические методы.

1.2.3. Сравнительная оценка различных методов контроля.

1.3. Основные представления об акустическом контроле.

1.3.1. Теоретические основы. Зависимость частот колебаний от упругих характеристик абразивных инструментов.

1.3.2. Недостатки существующего метода.

1.4. Аналитическое определение спектров колебаний.

1.4.1. Прямые методы определения низших частот собственных колебаний.

1.4.2, Приближённые методырасчёта частот.

Выводы по главе. Задачи исследования.

Глава 2.Разработка автоматизированной системы акустического контроля абразивного инструмента.

2.1. Общие принципы построения системы.

2.1.1. Выбор платформы разработки.

2.1.2. Описание системы.

2.1.3. Состав программного обеспечения.

2.2. Функционирование системы контроля.

2.2.1. Подсистема разложения в спектр.

2.2.2. Порядок работы.

2.3. Экспериментальное исследование процессов свободных колебаний с помощью системы контроля

2.3.1. Связь спектра колебаний с параметрами абразивных инструментов

2.3.2. Исследование возможности определения косвенной оценки качества абразивных инструментае по спеюпру свободных колебаний.

2.3.3. Структурная неоднородность.

2.3.4. Характер распределения неоднородности свойств.

Выводы по главе.

Глава 3.Моделирование процессов свободных колебаний шлифовальных кругов с неравномерно распределёнными свойствами.

3.1. Разработка колебательной модели шлифовального круга.

3.1.1. Основные принципьг построения модели.

3.1.2. Выбор типа конечного элемента.

3.1.3. Определение фунтщй формы изгибаемого элемента.

3.1.4. Определение матриц коэффициентов конечного элемента.

3.1.5. Принципы построения глобальных матриц жёсткости и масс шлифовального круга.

3.1.6. Расчёт частот свободных колебаний конечно-элементной модели круга.

3.2. Методика аналитического определения спектра колебаний шлифовального круга с неравномерно распределёнными свойствами.

3.2.1. Учёт неравномерности строения при расчёте частот собственных колебаний.

3.2.2. Условия достоверного определения коэффициента структурной неоднородности.

3.2.3. Методика подбора коэффициентов структурной неоднородности,

Пуассона и скорости распространения упругих волн.

3.3, Анализ конечно—элементной колебательной модели ввее«вавв®®»свл»»»ввв«в«*а®®е»*во*еве»ввоаавв»®в«овв»а»в*аваааавевввввеа»ава*ааввв

3.3.1. Оценка адекватности модели.

3.3.2. Исследования спектров колебаний с помощью разработанной модели.

Выводы по главе.

Глава 4.Разработка модели процесса шлифования с учётом структурной неоднородности инструмента.

4.1. Параметры зоны контакта.

4.1.1. Определение числа режугцих зёрен.

4.1.2. Динамика изменения плотности зёрен в процессе работы.

4.1.3. Учёт структурной неоднородности при определении числа зёрен!

4.2. Расчет сил резания.

43. Тепловые процессы при шлифовании.«,.*.«.

4.3.1. Определение повышения твмператпур стружки и детали от плаапических деформаций в зоне стружкообразования,.

4.3.2. Определение memtepamyp контактных поверхностей зерна.

4.3.3. Совместное определение сил и температур при резании одного зерна.

4.3.4. Расчет температуры на поверхности детали при шлифовании с учетом дискретности зоны контакта.

4.4. Повышение эффективности шлифования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности шлифования деталей ГТД на основе контроля качества абразивного инструмента с учетом структурной неоднородности»

Процессы абразивной обработки последовательно расширяют область своего применения. Существуют целые классы изделий, в частности, из труднообрабатываемых материалов, которые не могут быть эффективно изготовлены без использования тех или иных методов абразивной обработки. В этой связи, является важной проблема повышения эффективности таких процессов.

В то же время, внедрение высокопроизводительных методов шлифования на операциях обработки ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) сдерживается высокой степенью нестабильности качества поступающего на операции обработки ответственных деталей пористого абразивного инструмента, что обусловлено следующими причинами.

С одной стороны, качество абразивного инструмента (АИ) формируется на стадии изготовления и зависит от множества факторов, что на фоне отсутствия методик надёжного контроля приводит к серьёзным колебаниям его свойств как относительно партий инструментов, так в пределах одной партии и, даже, в теле самого инструмента. Положение усугубляется для высокопористого инструмента, применяемого на операциях глубинного шлифования деталей ГТД.

С другой стороны, процессы высокопроизводительного шлифования проявляют критическую зависимость от стабильности условий протекания теплообмена в зоне контакта, на которые оказывает влияние ряд технологических факторов, таких как неравномерность рабочих движений, подвода смазочно-охлаждающей жидкости. Наряду с ними одним из важных факторов является равномерность распределения свойств в рабочем слое применяемого абразивного инструмента. Вызванная теми или иными факторами термодинамическая неустойчивость процесса приводит к появлению недо8 пуетимого брака ответственных деталей в виде ирижогов, микротрещин и нерегулярной волнистости — макрогеометрического дефекта, также сопровождаемого появлением микротрещинами.

Таким образом, критическая зависимость процессов высокопроизводительного шлифования от неоднородности строения абразивного инструмента на фоне высокой нестабильности свойств применяемого пористого инструмента обуславливают актуальность задачи повышения эффективности шлифования ответственных деталей ГТД за счёт селективного применения абразивных инструментов, аттестованных по структурной неоднородности.

Успешное решение задачи связано с разработкой методики аттестации качества абразивного инструмента, основанной на производительном методе контроля, отвечающей условиям стопроцентного входного контроля. Решение вопроса о приемлемости каждого конкретного инструмента на данной операции связано, в свою очередь, с разработкой модели процесса шлифования, учитывающей неравномерное распределение свойств в применяемом АИ. Комплексному решению указанного круга вопросов и посвящена настоящая работа.

В первой главе на основе изучения опубликованных работ выполнен анализ причин, обуславливающих необходимость расширенного входного контроля абразивных инструментов, применяемых на операциях обработки деталей ГТД, существующих методов контроля и аналитического расчёта спектров свободных колебаний систем с распределёнными параметрами, какими являются абразивные инструменты.

Во второй главе разработано математическое и программное обеспечение автоматизированной системы комплексного акустического контроля абразивного инструмента. Приводится общее описание системы, разрабо9 тайных алгоритмов и результаты исследований спектров колебаний, выполненных с помощью разработанной системы. По материалам исследования предложено ввести в практику акустического контроля новый параметр контроля — структурную неоднородность инструмента Ки, обсуждён общий принцип его определения.

В третьей главе разработана конечно-элементная колебательная модель шлифовального круга, учитывающая влияние неоднородности распределения свойств на спектр колебаний. Приводится методика определения параметра коэффициента Пуассона и усреднённой скорости распространения упругих волн — оценки твёрдости абразивного инструмента.

В четвертой главе проведен анализ процесса шлифования с учетом структурной неоднородности шлифовального круга. Разработаны методики назначения режимов шлифования и аттестации абразивного инструмента по структурной неоднородности.

Научяая новизна:

1) разработаны теоретические предпосылки и математическая модель комплексной аттестации на основе акустического контроля абразивного инструмента, учитывающей структурную неоднородность последнего;

2) разработана конечно-элементная колебательная модель шлифовального круга с неравномерно распределенными свойствами, и позволяющая по спектру колебаний рассчитывать комплекс характеристик конкретного абразивного инструмента — звуковой индекс и коэффициент структурной неоднородности;

3) установлено, что вид спектра свободных колебаний (соотношение между частотами) может быть использован для оценки строения инструмен

10

4) обоснован новый критерий оценки качества и работоспособности абразивного инструмента — коэффициент структурной неоднородности и методика его определения;

5) разработана математическая модель процесса шлифования с учётом структурной неоднородности абразивного инструмента.

Практическая ценность:

1) разработана автоматизированная система комплексного акустического контроля абразивного инструмента;

2) разработана методика определения коэффициента структурной неоднородности абразивного инструмента как критерия его аттестации на операциях обработки ответственных деталей;

3) разработана методика аттестации абразивного инструмента на ответственных операциях по результатам комплексного входного контроля инструмента по звуковому индексу и структурной неоднородности;

4) разработана методика расчёта режимов шлифования, учитывающая структурную неоднородность конкретного абразивного инструмента, и обеспечивающая бездефектную обработку.

Результаты работы внедрены на ОАО «Рыбинские моторы», ожидаемый годовой экономический эффект составляет 165 838 руб., совместном предприятии АББ УНИТУРБО, ожидаемый годовой экономический эффект составляет 34 652 руб.

Работа выполнена под научным руководством д.т.н., проф. Рыкунова Н.С. и научном консультировании д.т.н., проф. Волкова Д.И.

Экспериментальные и теоретические исследования проведены на кафедре «Станки и инструменты» Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

11

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Михрютин, Олег Владимирович

9) Результаты работы внедрены на двух предприятиях, общий экономический эффект составляет 200490 деноминированных руб. в соответствии с ценами на 1996 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михрютин, Олег Владимирович, 2000 год

1. Ипполитов Г.М. Абразивно—алмазная обработка. — М. Машиностроение. 1969. —336 е.: ил.

2. Баку ль В.Н., Никитин Ю.И., Верник Е.Б., Селех В.Ф. Основы проектирования и технология изготовления абразивного И ШХЫаЗНОГО МКС TipV IvX © М Г£1.М. Машиностроение, 1975. —296 е.: ил.

3. Байкалов А.К. Введение в теорию шлифования материалов. — Киев. Наукова думка. 1978. — 206 е.: ил.

4. Попов С.А., Малевский II. П. Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твёрдых сплавов. — М.: машиностроение, 1977. — 264 с.: ил.

5. Боровский Г.В. и др. Эльбор в машиностроении. — Л.: Машиностроение,1977. —280 с.: ил.

6. Иванишников В.Т. Режущие свойства шлифовальных кругов с различным содержанием зерна при постоянной твёрдости //Абразивы и алмазы: Науч.-техн. реф. сб. ВНИИАШ. — М., 1967. — №2.

7. Глузмак И .Я., Тумакова Е.И. Об образовании связки в процессе обжига огнеупоров на основе карбида кремния //Огнеупоры. — 1965. —№5.

8. Згонник Н.П., Кудасов Г.Ф., Плят Ш.Н. Влияние режима термической обработки кругов на их шлифующую способность //Абразивы: Выпуск №24. —М., 1959. — €.27—32.

9. Лоладзе Т.Н., Бокучава Г.В. Износ алмазов и алмазных кругов. — М.: Машиностроение, 1967. — 112 с.

10. Лобанов А.В., Волков Д.И. Взаимосвязь эксплуатационных характеристик пористого абразивного инструмента с качеством шлифуемых деталей /Андроповское производственное объединение моторостроения. Андропов, 1986. — 11 с. — Деп. в ВНИИТЭМР. №>80мш 86ден.

11. Силин С.С. и др. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатываемых материалов. — М.: Машиностроение, 1984. — 64 с.

12. Славина Л.Я. Автоматизация контроля шлифовальных кругов по их фи-зико-мехаюгаеским характеристикам: Дисс. канд. техн. наук. — Л, 1987. — 230 с.

13. Глаговский Б.А. и др. Электроника и автоматика в абразивной промышленности. — Л.: Машиностроение, 1972. — 208 е.: ил.

14. Устройство для визуализации и экспресс-анализа спектра частот* свободных колебаний изделий: Проект Паспорта 1019.01.000 ПС. — Санкт -Петербург: ОАО «ВНИЙАШ». — 1999. —30 с.

15. Измеритель частот собственных колебаний абразивных инструментов и изделий из других видов материалов «Звук—1 ЮМ»: Паспорт 1019.00.00.000 ПС. — Санкт-Петербург: ОАО «ВНИИАШ». —-1998. —П о 1 .:. О 1j i Ь.

16. Измеритель частот собствешшх колебаний абразивных инструментов и изделий из других видов материалов «Звук—-203М»: Паспорт. — Санкт-Петербург: ОАО «ВНИИАШ». — 1998. — 46 с.

17. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. — Л.: Машиностроение, 1977. — 208 е.: ил.

18. Контроль качества абразивного инструмента акустическим методом: Методические рекомендации. — М.: НИИмаш, 1984. — 60 е.: ил.

19. Московенко И.Б. Метод свободных колебаний — самый древний метод акустического контроля //В мире неразрушатощего конгроля. — 1998. — №2. — С. 10- 13.

20. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы. — М,—Л.: Энергия, 1965. — 248 е.: ил.

21. Славина Л.Я. Исследование спектра частот собственных колебаний абразивных кругов большого диаметра //Труды ВНИИАШ: Выпуск №15. — М., 1974. — С.105—109.

22. Бабаков И.М. Теория колебаний. — М.: Наука, 1968. — 560 е.: ил.

23. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. — М.: Наука, 1967. — 444 е.: ил.

24. Неразрушающие испытания. Справочник / Под ред. Мак-Мастера: Книга 2. — М.— Л.: Энергия, 1965. — 207 с.

25. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Под ред. В.Н. Челомей. — М.: Машиностроение, 1978. —Т. 1. —352 е.: ил.

26. Еидерман В.Л. Теория механических колебаний. — М.: Высш. школа, 1980. — 408 е.: ил.

27. Дондошанский В.К. Расчёты колебаний упругих систем на электронных вычислительных машинах. —М.—Л.: Машиностроение. 1965. — 368 е.:202ИЛ.

28. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы.— М.: Мир. 1984.— 428 е.: ил.

29. Ланкастер П. Теория матриц. — М.: Наука, 1982. — 272 с.

30. Кузнецов A.A. Кузнецов O.A. Элементы быстродействующих аналого-цифровых преобразователей. — М.; Энергия, 1969. — 96 е.: ил.

31. Петелин Р.КЗ., Петел mi ГО. В. Звуковая студия в PC. — СПб.: БХВ— Санкт-Петербург, 1999. —256 е.: ил.

32. Максимов В.П. и др. Измерение, обработка и анализ быстро переменных процессов в машинах. —М.: Машиностроение, 1987. — 208 е.: ил.

33. Фролов A.B., Фролов Г.В. Мультимедиа для Windows. — М.: "Диалог-— МИФИ", 1995. —284 е.: ил.

34. Арутюнов П.А. Теория и применение алгоритмических измерений. — М.: Энергоатомиздат. 1990. —256 е.: ил.

35. Гольденберг Л. М. и др. Цифровая обработка сигналов. — М.: Радио и вязь, 1990. —256 с.: ил.

36. Приём импульсных сигналов в присутствии, шумов: Сборник переводных статей /Под ред. К.П. Воронин. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1960. — 384 е.: ил.

37. Математические основы теории автоматического регулирования, т. 2. /Под ред. Б.К. Чемоданова. ■—М.: Высш. школа, 1977. — 455 е.: ил.

38. На дел ь В.Е., Захаров В.П. Расчёт составляющих дисбаланса шлифовальных кругов //Процессы и оборудование абразивно--алмазной обработки. Вып. 1. —М.: ВЗМИ, 1977. — С.54—57.

39. Муцянко В.И., Никулкин Б.И. Влияние дисбаланса круга на процесс шлифования //Труды ВНИИАШ: Выпуск №11. —М.:НЙИМаш, 1970. — С.59—63.

40. Носов Н.В. Повышение эффективности и качества абразивных инструментов путём направленного регулирования их функциональных показателей: Автореф. дисс. докт. техн. наук. — Самара. 1997. — 46 с.

41. Лепендин Л.Ф. Акустика. — М.: Высш. школа. 1978. — 448 е.: ил.

42. Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение. — М.: Мир, 1984. — 264 е.: ил.

43. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. — М.: Мир, 1986. — 318 е.: ил.

44. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. — М.: Мир, 1981. —304 е.: ил.

45. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. — М.: Наука, 1984.—320 с.

46. Гулд С. Вариационные методы в задачах о собственных значениях. — М.: Мир, 1970. — 328 с.

47. Писсанецки С. Технология разрежённых матриц. — М.: Мир, 1988. — 410 е.: ил.

48. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разрежённых систем уравнений. —М.: Мир, 1984. —333 е.: ил.

49. Коллатц Л., Альбрехт Ю. Задачи по прикладной математике. — М.: Мир, 1978. — 168 е.: ил.

50. Уилкинсон Дж., Райнш К. Справочник алгоритмов на языке АЛГОЛ. Линейная алгебра. — М.: Машиностроение, 1976. — 389 е.: ил.204

51. Икрамов Х.Д., Численное решение матричных уравнений. — М.: Наука,1984. —192 с.

52. Чу раков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы. — М.: Энергоагом-издат, 1987. —256 е.: ил.

53. Годлевский В.А. Введение в анализ экспериментальных данных. — Иваново: ИГУ, 1993. — 176 е.: ил.

54. Боровиков Б. П., Боровиков И. П. STATISTIC А — статистический анализ и обработка данных в среде Windows. — М.: НИД «Филин», 1998. — 608 е.: ил.

55. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Статистический анализ данных на компьютере. .-М.: ИНФРА-М, 1988. ----- 528 е.: ил.

56. Нейман В.Г. Решение научных, инженерных и экономических задач с помощью ППП "Statgraphics". — М.: МП Память, 1993. — 88 е.: ил.

57. Волков Д.И. Математическое моделирование и оптимизация процессов высокопроизводительного шлифования с учётом анализа устойчивости термомеханических явлений: Дисс. докт. техн. наук. — Рыбинск, 1997. — 408 с.

58. Сухов Е.И. Кинематика и термомеханические явления при глубинном шлифовании деталей газотурбинных двигателей: Дисс. канд. тех. наук. —- Рыбинск, 1983. — 260 с.

59. Ефимов В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1992. — 123 с.

60. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчета на трение и износ.— М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.

61. Крагельский И.В., Михин U.M., Узлы трения машин. Справочник. — М.: Машиностроение. 1984. — 280 с.

62. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом. —М.: Машиностроение, 1988, 96 с.

63. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. — Л.: Машиностроение, 1979. — 248 с.

64. Werner G. Schneller Abtrag und hohe Bearbeituiigsgute durch innovativeHEDG-Schleifprozesse//Maschinenmaikt, Wuraburg.— 1997. Vol. 103, -.N.36.—S.44-49

65. CxmaibioB B.A. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1979. — 167 с.

66. Михрютин В.В. Повышение эффективности глубинного шлифования путем стабилизации термодинамических условий обработки, дисс. канд. техн. наук. Рыбинск, — 1994. — 238 с.

67. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки. — М.: Машиностроение. 1981. —280 с.

68. Резников А.Н., Шатерин М.А., Кунин B.C., Резников Л.А. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом. — М.: Машиностроение, 1986.232 с.

69. Силин С.С. Теория подобия в приложении к технологии машиностроения. — Ярославль: ЯПИ, 1989. — 108 с.

70. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. — М.: Машиностроение, 1974. — 279 с.

71. Васильев Г.П. Автоматизация проектирования металлорежущих станков.М.: Машиностроение, 1987. — 280 е.: ил.Разбиение матрицы жёсткости на блокиро ! ; ъ I ! Яг Яз