Технологическое обеспечение точности механической обработки тонкостенных деталей авиационных двигателей

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

УДК 621.941

А. П. МОРГУНОВ Е. Ю. ЧХЕТИАНИ

Омский государственный технический университет

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ_____________________________

В статье рассмотрены проблемы изготовления тонкостенных колец авиационных двигателей, а именно обеспечение заданной точности в условиях деформаций нежесткой технологической системы. Для расчета деформаций применена методика расчета полей перемещений в прямоугольной системе координат.

Ключевые слова: точность, тонкостенные детали, деформации, погрешности обработки.

Тонкостенные детали получили широкое применение в ряде отраслей машиностроения, особую роль они играют в авиационном моторостроении. При этом если в других отраслях использование тонкостенных конструкций при проектировании изделий мотивировано снижением металлоемкости, то при проектировании авиационных двигателей эта тенденция вызвана, в первую очередь, снижением общей массы для улучшения эксплуатационных характеристик двигателя.

Изготовление деталей авиационных двигателей имеет ряд особенностей, отличающих его от других сфер машиностроительной отрасли. Одна из таких особенностей — высокие требования к точности и качеству обрабатываемых поверхностей. Зачастую достижение заданных требований точности оказывается сложной производственной и технологической задачей.

В таких условиях главной задачей технологической подготовки производства становится максимально точная оценка и прогнозирование погрешностей, которые могут возникнуть в процессе технологической наладки и в процессе обработки заготовки. Если же говорить о непосредственной корректировке параметров по ходу технологического процесса, то такой способ обеспечения качества деталей влечет за собой дополнительные затраты времени и материальных средств, и, как следствие, увеличение общей трудоемкости и затратности обработки.

В данной статье рассмотрена проблема механической обработки тонкостенных деталей типа колец больших диаметров (например, кольца, фланцы, ребра корпусов камеры сгорания и других узлов двигателя) на токарном станке типа мод. 163.

Главной проблемой при механической обработке таких деталей является то, что деталь нежесткая. Следовательно, для достижения заданных параметров необходимо максимально жестко и точно базировать деталь в приспособлении. Кроме того, приспособление должно обеспечивать надежную фиксацию заготовки, чтобы исключить возникновение дополнительных погрешностей в процессе обработки вследствие воздействия сил резания.

Рассмотрим способ закрепления тонкостенной кольцевой заготовки в планшайбе со сменными секторами, имеющими ход в радиальном направлении, позволяющий менять диаметр посадочного места с целью использования приспособления для обработки однотипных деталей с различными внутренними диаметрами.

Существующая планшайба представляет собой весьма удачное конструктивное решение, однако имеет и недостатки. В частности, она не исключает возникновение овальности обрабатываемой детали, так как сменные сектора могут иметь перекос в радиальном направлении. Особенно этот случай вероятен при длительной эксплуатации приспособления и, как следствие, при износе элементов, ограничивающих сектора.

В качестве решения этой проблемы могут служить датчики динамометрического типа, которые будут определять точность прилегания кулачков планшайбы по внутреннему диаметру обрабатываемой детали посредством измерения усилия прижатия контактирующих элементов.

Другим недостатком существующей конструкции приспособления является сложность и длительное время наладки для точного закрепления детали в приспособлении. Это вызвано тем, что регулировка перемещения сменных секторов осуществляется вручную. Для сокращения времени наладки, ее упрощения, а также исключения возникновения погрешности при ручной наладке, и, следовательно, повышения точности обработки тонкостенного кольца предлагается оснастить приспособление электроприводом, который позволит производить регулировку автоматически.

Для реализации данного проекта необходимо выполнить аналитическое обоснование. Моделью детали служит тонкостенная оболочка вращения, закрепленная в приспособлении, описанном выше. При этом принимаются во внимание основные факторы, влияющие на точность прилегания наружного диаметра сектора к внутреннему диаметру заготовки. Эти факторы следующие:

1) §5 — допуск на изготовление сектора приспособления, т.е. допуск на выполнение наружного

Рис. 1

Рис. 2. Схема воздействия сил при обработке:

Р —сила резания; Р5 — сила закрепления от секторов

диаметрального размера (диаметр посадочного места) (рис. 1);

2) 8К — допуск на выполнение внутреннего диаметра обрабатываемой детали (рис. 1);

3) РУ — сила резания;

4) Рд — сила закрепления от каждого сектора планшайбы.

Схема распределения сил при механической обработке детали показана на рис. 2.

Допуски 8д и 8К имеют в данном случае относительно малые величины, однако при неудачном стечении совокупности факторов они могут способствовать искажению геометрической формы детали в процессе обработки.

Детали рассматриваемого типа, как правило, изготавливаются из особо прочных сплавов, в частности титановых. Этот класс материалов относится к труднообрабатываемым, поэтому в зоне резания возникают значительные усилия, которые могут влиять на отклонение геометрической формы обрабатываемой детали от заданной.

На рис. 3а показан идеальный случай прилегания заготовки к сектору — в этом случае площадка контакта не имеет разрывов. Однако на практике обеспечение такой точности невозможно. На рис. 3б изображена схема прилегания с учетом действия перечисленных факторов. Из схемы видно, что учитывая воздействие основных факторов при обработке тонкостенного кольца, получаем искажение профиля детали в радиальном направлении.

Кроме того, погрешность обработки тонкостенного кольца может возникать и в процессе технологической наладки. На этой стадии влияние оказывают:

— зазоры, которые могут возникнуть вследствие перемещения сменного сектора планшайбы;

Рис. 3. Схема прилегания заготовки и сектора планшайбы: а — идеальный случай; б — с учетом действующих факторов

— нежесткость технологической системы в целом;

— погрешность установки приспособления на станок, т.е. возможно возникновение эксцентриситета между осями приспособления и шпинделя станка.

Таким образом, для полной оценки влияния перечисленных факторов на конечный результат обработки, необходимо определить величину суммарной погрешности. Из всей совокупности погрешностей, возникающих в процессе технологической наладки и механической обработки кольцевой заготовки, наиболее существенны те погрешности, которые возникают в результате деформаций нежесткой технологической системы в целом и ее элементов в частности. Эти деформации возникают на всех трех этапах технологического процесса: при закреплении детали в приспособлении и технологической наладке, непосредственно при механической обработке детали и после снятия обработанной детали со станка.

Следует отметить, что при определении суммарной погрешности принимаются во внимание только особо важные факторы. То есть некоторые погрешности настолько несущественны, что ими можно пренебречь. Это, например, температурные деформации в зоне резания, износ режущего инструмента и др.

Для определения деформаций заготовки используется методика расчета полей перемещений, разработанная для тонкостенной втулки большого диаметра [1]. Для этого принимаем некоторые допущения:

— цилиндрическую втулку заменим плоской, т.е. ширину кольца будем считать пренебрежимо малой;

— принимаем, что площадь контакта кольца и секторов планшайбы не имеет разрывов по всему диаметру;

— будем считать постоянными упругопластические свойства материала, из которого изготовлена деталь.

Эти допущения делают возможным определение поля перемещений в прямоугольной системе координат в линейной постановке.

Дифференциальное уравнение энергии в этом случае будет иметь вид:

Эи(х, у,г, т) Эх

= а

Э 2и

Эх2

Эу2

Эг2

где и — перемещение по осям координат.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012

Рис. 4. Схема для расчета перемещений в прямоугольной системе координат

Для того чтобы заменить дифференциальное уравнение (1) уравнением в конечных разностях [2, 3], построим пространственную прямоугольную сетку рядом плоскостей, параллельных координатным плоскостям с расстоянием между ними Дх, Ду, Дг соответственно (рис. 4).

Точки сетки пронумеруем в направлении оси х: 0, 1, 2, 3 ..., 1—1, 1, 1+1, ...; в направлении оси у: 0, 1,

2, 3, ..., п — 1, п, п+1, ...; в направлении оси г: 0, 1, 2,

3, ..., т—1, т, т+1, ... . Шаги интегрирования по соответствующим координатным осям принимаем Дх, Ду, Дг.

Внутри данной области выделим пространственную сетку, ее узловые точки обозначим: о, а, б, в, г, д, е. Перемещения в этих точках в момент тк:

и. п т к — перемещение в точке о с координатами (х., у , г );

' г п' т''

1—1, п, т, к

перемещение в точке а с координа-

тами (х , у , г );

1-1 п т

1+1, п, т, к

— перемещение в точке б с координа-

тами (х., ., у , г );

1+1 п т

1, п — 1, т, к

перемещение в точке в с координа-

тами (х., у ., г );

1 п-1 т

1, п+1, т, к

перемещение в точке г с координа-

тами (х., у г );

' г 1п+1 т> '

1, п, т—1, к

перемещение в точке д с координа-

тами (х., у , г ,);

1 п т-1

и п т+1 к — перемещение в точке е с координатами (х., у , г _,_.);

' г •/ п' т+1^1

Обозначим перемещение в сетке О в момент Т , ,=т +Дт через и , ...

к+1 к г 1, п, т, к+1

Искомая функция перемещения и(х, у, г, к) в любой точке поверхности может быть представлена формулой Тейлора для функции четырех независимых переменных:

и1+1,п+1,т+1,к+1 = и1,п,т,к +

+ Дх + — Ду + — Дг + — Дх)и. Шк +

ГЭх Эу Эг Эх ’ 1п'тк

_Э_

эу"

_Э_

Эг

Так как все функции и.,, , , и. ,, , , и , , ,,

Т--' “ 1+1, п, т, к ' 1, п+1, т, к ' 1, п, т+1, к'

,, и. , , ,, и . , отнесены к одному и

1, п, т, к 1—1, п — 1, т, к 1, п, т—1, к ^ •'

тому же времени Тк, в выражении (1) принимаем Дт = 0. Таким образом, из соотношения (1) можем получить функции для всех точек о, а, б, в, г, д, е.

Основная рабочая формула для определения перемещений после преобразований будет иметь вид:

и11п,ш1к+1 = 1 - 2(ДРсх + ДРсу + ДРог)]и11п1ш,к +

+ ^сх^Чп^к + +

+ ^^п-.Ш* + Ulln+1lШlk) + + UllnlШ+1lk) ,

где Рох = аДт/ Дх2, Роу = аДт/Ду2, Рог = аДт/Дг2.

С помощью выражения (3) и при известных перемещениях в точках О, а, б, в, г, д, е в момент времени Тк, становится возможным найти перемещение в точке О в последующий момент времени Тк+1. Таким образом, вычисляя перемещение по формуле (3) в разных точках пространственной сетки, находим искомое поле деформаций.

Выводы:

1. На обрабатываемую деталь воздействует большое количество факторов, которые могут способствовать возникновению погрешностей при обработке. Наиболее существенными являются те погрешности, которые возникают в результате деформаций.

2. Для расчета деформации обрабатываемой заготовки используется методика расчета полей перемещений, интерпретированная в прямоугольной системе координат. Она позволяет определить деформацию в любой точке сопрягаемых поверхностей.

3. В дальнейшем предполагается углубить исследование, расширив область рассматриваемых факторов, воздействующих на точность механической обработки тонкостенного кольца большого диаметра. Кроме того, будут разработаны практические рекомендации по устранению (компенсации) нежелательных воздействий путем усовершенствования станочного приспособления.

Библиографический список

1. Моргунов, А. П. Технологическое обеспечение прочности профильных неподвижных соединений : монография / А. П. Моргунов, В. Б. Масягин, И. В. Ревина. — М. : Технология машиностроения, 2004. — 300 с.

2. Бахвалов, Н. С. Численные методы : учеб. пособие для студентов вузов / Н. С. Бахвалов. — М. : Наука, 1973. — 632 с.

3. Кузьмин, М. П. Нестационарный тепловой режим элементов конструкции двигателей летательных аппаратов / М. П. Кузьмин, И. М. Лагун. — М. : Машиностроение, 1988. — 240 с.

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

ЧХЕТИАНИ Екатерина Юлоновна, аспирантка кафедры «Основы теории механики и автоматического управления».

Адрес для переписки: ека1ег1па-сЬкЬе11ап1@ уап<3ех.ги.

Статья поступила в редакцию 23.11.2011 г.

© А. П. Моргунов, Е. Ю. Чхетиани