Разработка и исследование ресурсосберегающих технологий обработки металлов резанием для производства деталей летательных аппаратов

Авиационная промышленность одна ш наиболее динамично развивающихся отраслей проюводства, включающая в себя практически замкнутый цикл разработки и производства самых совершенных авиационных шделий — от легких истребителей и вертолетов наземного и палубного базирования до тяжелых ракетоносцев и сверхтяжелых транспортных авиационных систем.

Авиационную промышленность отличает чрезвычайная наукоемкость. Множество работ научно-исследовательского сектора авиационной промышленности направлены на поиски путей совершенствования авиационной техники за счет разработки новых технологических и материаловедческих решений, а также технологических процессов обработки традиционных и специальных конструкционных материалов, оборудования и инструмента для операций механической обработки.

Современная авиационная техника проектируется и прошводится с учетом чрезвычайно жестких условий эксплуатации. Среди основных параметров эксплуатации: безопасность полетов, многократное превышение скорости звука, многократно повторяемые пиковые нагрузки, форсированные режимы полетов во всепогодных условиях, резкие перепады температур, аэродинамический характер внешних силовых воздействий.

В авиационных конструкциях находят широкое применение высокопрочные алюминиевые, магниевые и титановые сплавы. При выборе материала для элементов конструкции учитываются его механические свойства (предел прочности, текучести, модуль упругости, износостойкость, вязкость и др.) — теплофизические и химические свойства (теплопроводность, коррозийная стойкость и др.), плотностьтехнологические свойства (пластичность, обрабатываемость резанием и др.), определяющие возможность применения наиболее проговодительных производственных процессов.

Решение проблемы создания новых летательных аппаратов (JIA) тесно связано с созданием материалов, обладающих весьма разнообразными свойствами: жаропрочностью, жаростойкостью, прочностью, коррозийной стойкостью, которые насчитывают многое сотни марок сталей и сплавов.

При изготовлении деталей и узлов самолетов ш меташннеских материалов значительную трудоемкость (до 25−35% от общей трудоемкости изготовления шделий) составляют операции механической обработки на металлорежущих станках. Использование в конструкциях агрегатов самолета крупногабаритных монолитных деталей сложных форм га труднообрабатываемых материалов вызывает рост объема работ по механической обработке.

Применение в конструкциях JIA высокопрочных и жаропрочных сплавов требует использования новых марок инструментальных материалов повышенной твердости, прочности, теплостойкости (красностойкости), высокой сопротивляемости износу.

Основными требованиями, предъявляемыми к технологическому процессу механической обработки деталей JIA являются:

1. Высокая точность (отклонения по контуру обводообразующих деталей не должно превышать 0,2.0,5 ммовальность для диаметра 1000 мм — не более 3 ммчистота поверхности, особенно, по радиусам переходов не менее Rz 6,3).

2. Высокая производительность и исключение доводочных работ (коробление крупногабаритных панелей сложной пространственной формырихтовка- «зарезы» ребер и полотна деталей при поломке инструментаподварка или новая детальповерхностное упрочнение к образованию микротрещин — снятие остаточных напряжений или новая деталь).

3. Малая чувствительность к разбросу механических свойств и геометрических размеров (многообразие марок материала инструмента).

4. Относительно небольшая стоимость инструмента.

В связи с этим большую актуальность приобретают задачи повышения эффективности механической обработки, решение которых способствует снижению трудовых затрат, уменьшению эксплуатационных расходов, повышению прошводительности отдельных операций, автоматизации обработки сложных деталей JIA.

Наиболее приемлемым путем повыше шю точности и прошводительности, снижения объема доводочных работ и себестоимости шготовления деталей J1A является применение высокоскоростной обработки инструментом повышенной теплостойкости, износостойкости и пластичности, что позволяет оптимизировать процесс механической обработки с учетом чистоты поверхности инструмента и механических свойств материала деталей с обеспечением их точности без доводочных работ.

Однако, несмотря на перспективность, указанное выше направление до последнего времени не находило широкого применения в производстве ш-за недостаточной изученности технологических возможностей повышения теплостойкости и износостойкости при достаточной пластичности инструмента.

Практика эксплуатации режущего инструмента (РИ) из быстрорежущих сталей показывает, что в большинстве случаев причиной неудовлетворительной стойкости инструмента является хрупкое разрушение его или смятие режущей кромки ш-за ншких пласппеских характеристик — в первом случае, деградации структуры поверхностного слоя — во втором случае.

Восстановление такого РИ как до, так и после эксплуатации, практически невозможно. Кроме того, отсутствуют достаточно надежные методы оценки качества РИ.

Заслуживают внимания различные способы изотермической закалки, позволяющие резко повысить пластические характеристики РИ, но при этом несколько снижаются их прочностные свойства. Кроме того, для обеспечения неизменности химического состава в поверхностном слое сталей и сплавов при нагреве под закалку используются установки и печи с псевдоожиженным слоем сыпучих материалов. Исследования по использования таких установок для нагрева под закалку РИ практически отсутствуют.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью сокращения трудоемкости, объема доводочных работ благодаря повышению точности и чистоты поверхности деталей при высокоскоростной обработке РИ повышенной теплостойкости и износостойкости при достаточной их пластичности.

Целью работы является разработка и исследование технологических процессов повышения теплостойкости, износостойкости и одновременно пластичности инструмента для высокоэффективной обработки резанием деталей ю высокопрочных авиационных материалов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

— Анализ применяемых в самолетостроении материалов и их обрабатываемости;

Анализ исследования деградации поверхностного слоя и свойств РИ из быстрорежущих сталей в зависимости от технологического процесса термической обработки;

Разработка принципиально нового технологического процесса повышения теплостойкости, износостойкости и пластичности инструмента;

Разработка новых перспективных направлений высокоэффективного восстановления инструмента после эксплуатации;

— Разработка нового подхода к оценке изменений механических свойств быстрорежущих сталей методом акустической эмиссии;

— Проведение прошводственных испытаний инструмента изготовленного по разработанному технологическому процессу.

Для решения поставленных задач использовались как общеизвестные методики исследований физико-механических свойств, теплостойкости структуры и химического состава быстрорежущих сталей, так и специально разработанные с участием автора. К числу специально разработанных относятся: методика оценки нагревающей и охлаждающей способности средметодика определения обезуглероживающего действия нагревающих средметодика фрактографического исследования мезодефектов при статических и динамических испытаниях механических свойствметодика оценки параметров акустической эмиссии при испытании механических свойств.

Научная новюиа состошв получении новых результатов, отражающих изменение фшико-механических свойств быстрорежущей стали в процессе термической обработки в интервале бейшггного «предпревращения», электроимпульсного воздействия, оценке пластичности инструмента по параметрам акустической эмиссии.

Разработан классификатор видов структурной (кристаллической) неоднородности в быстрорежущих сталях в зависимости от параметров основных технологических операций шготовления режущего инструмента, что позволяет прогнозировать его свойства. Разработана и внедрена оптимальная технология шготовления РИ из быстрорежущих сталей методом изотермической закалки в интервале бейшггного «предпревращения», позволяющая увеличить его теплостойкость, шносостойкость и вязкость. Разработаны новые методики оценки свойств РИ при статических и динамических испытаниях механических свойств с использованием параметров акустической эмиссии. Разработан комплексный метод термической обработки РИ ш быстрорежущих сталей при использовании ванн с псевдоожиженным слоем сыпучих материалов, при этом сохраняются преимущества и исключаются недостатки использования печей с расплавом солей. Разработанные рекомендации по управлению структурной (кристаллической) неоднородностью в быстрорежущих сталях прошли опытно-промышленные испытания при изготовлении и эксплуатации РИ, где показали работоспособность и высокую эффективность РИ при механической обработке деталей ш авиационных материалов.

Результаты работы внедрены на ОАО «КнААПО», ОАО «ОКБ Сухого» г. Москва, используются в учебном процессе КнАГТУ на кафедре «Технология самолетостроения», а также при выполнении научноисследовательской работы студентами и аспирантами.

Личный вклад автора состоит: в постановке задач исследованияпроведении экспериментальных исследований и обработке их результатов.

Исследования выполнялись в рамках «Программы по глубокой модернизации и разработке новых технологий производства изделий на уровне вхождения в международную систему разделения труда ОАО «КнААПО».

На защиту выносятся следующие основные положения:

— Обоснование комплексных методов повышения эффективности обработки резанием авиационных материалов;

— Влияние нагревающих и охлаждающих сред при термообработке РИ из быстрорежущих сталей на его коробление и трещинообразование, деградацию поверхностного слоя (обезуглероживание, обезлегирование), эволюцию структуры, твёрдости и теплостойкости;

— Результаты исследования свойств РИ щ быстрорежущих сталей при термической обработке в интервале бейшггного «предпревращения»;

— Результаты сравнительных испытаний износостойкости РИ из быстрорежущих сталей, обработанных традиционными методами и новыми: изотермической закалкой в интервале бейшггного «предпревращения» и электроимпульсного воздействия (ЭИВ).

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах, в том числе: научных конференциях аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 1999;2002 г. г.- III Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроенин-2000» Пета, 2000 г.) — Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Сварка и смежные технологии» (Москва, МЭИ ТУ, 28−30 ноября 2000 г.) — V-м собрании металловедов (Краснодар, 10−13 сентября, 2001 г.) — Межрегиональной конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2001 г.) — XIX научно-технической конференции ФГУП КнААПО им. Ю. А. Гагарина (Комсомольск-на-Амуре, 2001 г.) — Практическом семинаре «Инструмент и оснастка, новые методы повышения эффективности» (Санкт-Петербург, ГТУ, Межрегиональный Центр Экономики и техники, 26−28 марта 2002 г.) — Первой Евразийской научно-технической конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва МИСиС, 16−18 апреля 2002 г.) — Первой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО ОКБ «Сухой» и ГУП АВПК «Сухой» (Москва, 2002 г.) — Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов на базе XXXIX семинара «Актуальные проблемы прочности» и X Московском семинаре «Физика деформации и разрушения твбрдых тел» (Черноголовка, 3−5 июня 2002 г.) — Дальневосточный инновационный форум 2003 «Роль науки новой техники и технологий в экономическом развитии региона» Хабаровск, 2003 г.;

XX научно — технической конференции ОАО «КнААПО им. Ю.А.Гагарина» «Созданию самолетовВысокие технологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2004 г.).

По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 1 патент.

Автор искренне признателен всем коллегам за содействие в выполнении настоящей работы, лично научному руководителю д.т.н., профессору В. И. Муравьеву, научным консультантам д.т.н., профессору К. А. Макарову и к.т.н., с.н.с. В. И. Якимову за консультации и внимание к работе. Критические замечания и моральная поддержка со стороны А. Н. Рогинко и С. Н. Чернобай помогли в работе над диссертацией.

9. Результаты работы внедрены на ОАО «КнААПО», ОАО «ОКБ Сухого» г. Москва и использованы в учебном процессе КнАГТУ на кафедре «Технология самолетостроения».

Суммарный годовой эффект от внедрения разработанных технологий составил ~3565,0 тыс. руб. (в ценах 2003 г.).