Научные основы проектирования технологии высокоточной многопереходной горячей пластической обработки с использованием компьютерного моделирования

• Автор: Золотов, Александр Максимович
• Шифр специальности: 05.16.05, 05.03.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 351 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Процессы горячей пластической обработки ГПО относятся к широко и весьма успешно применяемым промышленным технологиям. Высокие механические свойства и другие эксплуатационные характеристики заготовок и готовых изделий при высоких показателях использования материала является отличительной чертой процессов ГПО в сравнении с другими технологическими процессами.
В настоящее время на фоне возрастающей конкуренции между производителями, как в промышленно развитых странах, так и в странах третьего мира, а также все более жестких требований потребителей к стоимости изделий и их качеству промышленные предприятия и научноисследовательские организации уделяют повышенное внимание проблемам снижения расхода материала и энергии при их производстве. Это привело к созданию и широкому внедрению целого ряда новых технологических процессов горячей пластической обработки, позволяющих приблизить геометрию получаемых заготовок к геометрии готовых изделий и деталей, что в свою очередь позволяет значительно снизить объем и трудоемкость последующих этапов обработки, например механической обработки.
Идеальным вариантом являются технологические процессы получения заготовок и изделий повышенной точности, так называемые прецизионные процессы горячего деформирования. Изделия, получаемые с их помощью, имеют, как правило, частично или полностью готовые функциональные поверхности 1. Так, например, при прецизионной штамповке заготовок зубчатых колес для автомобильной промышленности точность получения функциональных поверхностей детали соответствует 1Т 8 по сравнению с ГГ для обычных процессов горячен штамповки.
Повышенные требования к точности и качеству изделий и деталей, получаемых методами прецизионного горячего деформирования, в свою

очередь ведут к значительному повышению требовании к технологическому процессу.

Для их реализации необходимы не только стандартные методы управления качеством в процессе производства, но и использование специальных методов на предварительных этапах при проектировании процессов и подготовке производства, позволяющих обеспечить соблюдение высокого и воспроизводимого качества получаемых изделий.
Одной из особенностей систем управления качеством процессов горячей пластической обработки является то, что конкретные значения характеристик и показателей качества изделий могут быть определены только после полного их остывания, т. е. спустя некоторое время после окончания процесса, которое измеряется десятками минут. В связи с этим непосредственное реагирование на изменение выходных характеристик продукции или вообще не может быть реализовано или реализуется только частично. Поэтому весьма актуальной проблемой является создание моделей управления качеством процессов, например, на основе планирования экспериментов. Этот метод успешно применяется в большинстве систем управления качеством процессов горячей штамповки, особенно при изготовлении поковок повышенной точности прецизионная штамповка. Вместе с тем, этот метод может быть эффективно реализован только в условиях серийного или массового производства.
При производстве деталей сложной формы в условиях мелкосерийного производства применение таких моделей приводит к значительному повышению стоимости продукции, так как количество необходимых для проведения экспериментов изделий соизмеримо с размерами выпускаемой партии. Это относится, в частности, к деталям энергетического машиностроения, например, турбинным лопаткам, изготавливаемым методами прецизионной штамповки.
Для уменьшения влияния или исключения возможности возникновения систематических погрешностей, которые главным образом возникают в процессе проектирования технологии и изготовления инструмента, используются специальные процедуры управления качеством, в частности анализ причин видов и последствии отказов, i vi анализ проекта, планирования эксперимента. Широкое распространение при разработке технологических процессов за последние несколько лет получили методы математического моделирования, в частности с использованием метода конечных элементов МКЭ.
Данная работа посвящена решению ряда методических и прикладных проблем, связанных с применением систем автоматизированного проектирования и методов компьютерного моделирования при разработке многопереходных технологических процессов горячей пластической обработки высокоточных с уменьшенными припусками изделий сложной формы.
Актуальность


Лопатки для паровых, газовых турбин и компрессоров штампуются с такой точностью, что отпадает практически необходимость в любом виде чистовой обработки,
связанной со снятием стружки. Обрабатываются только входная и выходная кромки. Преимуществами прецизионной штамповки являются малые допуски, высокая томность формы и очень высокое качество поверхности. Замкнутый характер расположения волокон обеспечивает хорошие характеристики с точки зрения стойкости против коррозии и эрозии 6. Вместе с тем данный технологический процесс является наиболее сложным с точки зрения его проектирования и реализации. Рассмотрим более подробно особенности технологии штамповки заготовок турбинных лопаток. Анализ многоперсходных технологических процессов штамповки заготовок турбинных лопаток. Характеристики геометрии и точности поковок заготовок турбинных лопаток. Технологические признаки заготовок турбинных лопаток определяются конструкцией и их назначением. К ним относятся габаритные размеры лопаток длина Ь, ширина Э и толщина перовой части, угол закрутки перовой части, форма профиля пера, наличие дополнительных элементов конструкции замок, бандаж и др. Размеры штампуемых лопаток рис. Л перовой части при ширине от 8 до 0 мм и толщине пера от 1 до мм. Угол закрутки пера достигает 5, 6. При определении точностных характеристик лопаток задаются отклонения профиля пера лопаток от номинального размера но толщине и по контуру 5, отклонение угла закрутки пера Да, прогиб перовой части лопатки И, а также шероховатость поверхности. В соответствии с этими параметрами определяется и точность заготовок лопаток. При этом дополнительно учитываются размеры технологических напусков, в частности толщина выходной кромки 5 с учетом усиления, и штамповочные уклоны на входной кромке пера. Трудоемкость механической обработки заготовок лопаток определяется видом и технологическими характеристиками материала, размерами припуска и применяемыми способами обработки. Рис. Геометрия заготовки турбинной лопатки д и дефекты формы поковок б. В настоящее время используются два вида заготовок с уменьшенными по сравнению со стандартами припусками. К первым относятся поковки лопаток, получаемые точной штамповкой, с припуском 0,,8 мм по контуру в зависимости от габаритных размеров лопаток, что составляет от припуска, рекомендуемого ГОСТ При этом для применения безразмерного шлифования перовой части значение допуска на припуск не должно превышать припуска. В некоторых случаях, при обеспечении точности геометрии пера, возможно применение размерного шлифования для обработки отдельных элементов пера, например снятие дополнительных припусков на входной и выходной кромках пера. Размер минимального припуска определяется глубиной дефектного слоя на поверхности заготовки 5, 6. Ко второму виду относятся поковки лопаток, получаемые прецизионной штамповкой, с готовыми поверхностями перовой части, для доводки которых используется только ручная зачистка кромок и полировка. Припуски могут составлять от номинальных по ГОСТу. При получении таких заготовок обязательно используются защитные покрытия поверхности стеклоэмалями или покрытия, наносимые гальваиикой. После штамповки для снижения шероховатости поверхности применяется травление или дробеструйная обработка. Шероховатость поверхности готового профиля составляет Яа 2,5 мкм 5,6. Анализ факторов и параметров технологического процесса штамповки, влияющих на точность поковок турбинных лопаток. К ним относятся износ гравюры штампового инструмента, который составляет до припуска, глубина дефектного слоя поверхности поковок, тепловые деформации заготовки усадка материала и коробление поковок, упругие деформации штампа, точность изготовления и шероховатость поверхности штампа, относительное смещение частей штампа и др. Таким образом, размер припуска рассчитывается исходя из погрешности определения значений перечисленных параметров, которая состоит из систематической и случайной погрешностей рис. Рис. Влияние характеристик технологического процесса на точность поковок лопаток, а деформация штампового инструмента, 6 термические деформации при охлаждении.