Разработка методики управления технологическим наследованием отклонений формы прецизионных деталей двигателей ЛА

Актуальность работы. Важнейшей проблемой отечественного машиностроения на современном этапе является повышение качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Основными показателями качества изделий авиакосмической техники (АКТ) являются показатели назначения, надежности и безопасности. Эти показатели в значительной степени определяются эксплуатационными свойствами деталей и соединений: износостойкостью, контактной жесткостью, усталостной прочностью, коррозионной стойкостью, герметичностью соединений. Указанные свойства физически связаны с определенными конструктивными и технологическими параметрами качества применяемых материалов, механических свойств поверхностного слоя детали, геометрических параметров точности формы и качества обработки поверхностей деталей, которые, в свою очередь, определяются технологией их изготовления.

Один из наиболее действенных путей повышения показателей эксплутационных свойств деталей и соединений заключается в непрерывном совершенствовании методов обработки материалов и внедрении прогрессивных технологических процессов. В связи с этим в современном машиностроении придается большое значение созданию высокоэффективных технологических процессов.

Особенно актуальной данная проблема является в современном авиационном и космическом двигателестроении, где непрерывно возрастают масштабы применения высокоточных деталей сложных конструктивных форм. «Жесткие» допуски, назначаемые конструкторами и исчисляемые для прецизионных деталей микрометрами, уже с трудом обеспечиваются с помощью имеющихся технологических систем. В этих условиях возникает проблема: точность постоянно растет, а технологические системы не могут ее обеспечить. Необходимы новые резервы обеспечения ужесточающихся требований к деталям и изделиям. Мощным фактором в деле обеспечения требуемых выходных параметров и повышения качества работы высокоточных деталей является работа наследственных регуляторов, присущих технологическим системам.

Исключение особых причин и уменьшение вариаций процессов на основе применения известных статистических методов составляет лишь первый этап повышения качества и стабильности технологических систем. Только после завершения данного этапа можно переходить к более тонким исследованиям прецизионных деталей, связанным с учетом эффекта технологического наследования, иначе этот эффект будет неразличим среди большого количества общих причин, а его устранение не приведет к существенному повышению качества.

Управление технологической наследственностью необходимо вести таким образом, чтобы свойства, положительно влияющие на надежность детали, сохранялись в течение всего технологического процесса, а свойства, влияющие отрицательно, — были ликвидированы в его начале. Кроме того, учет технологической наследственности позволяет установить причины отклонений и условия регулирования параметров технологических процессов, в ходе которых формируются свойства деталей. В итоге такое управление обеспечивает значительное улучшение эксплуатационных свойств прецизионных деталей и способствует повышению надежности их работы.

Несмотря на высокую актуальность вопросов наследования в технологии производства прецизионных деталей, в настоящее время теория технологического наследования далека от завершения. Даже сами термины «технологическая наследственность» и «технологическое наследование» не имеют пока широкого распространения в среде инженеров-технологов. Отсутствует системный подход к выбору, назначению и технологическому обеспечению параметров качества поверхностного слоя.

На основе вышесказанного правомерно заключить, что решаемая в данной работе проблема является актуальной и практически востребованной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Заключается в повышении точности изготовления прецизионных деталей пневмогидросистем рулевых механизмов авиационных и ракетных двигателей методом имитационного моделирования технологических процессов.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, выносимые на защиту:

1. Концепция технологического наследования (ТН) применительно к процессам изготовления прецизионных деталей пневмогидросистем ДЛА.

2. Аналитические зависимости технологического наследования основных параметров поверхностного слоя и количественные связи передачи наследственных свойств.

3. Методика моделирования технологических процессов с учетом технологического наследования. Способы определения влияния коэффициентов ТН, методы управления ТН.

4. Имитационная модель технологического процесса изготовления прецизионных деталей ДЛА с учетом технологического наследования свойств и параметров, обеспечивающая возможность управления по различным законам, параметрами технологического процесса на любых этапа проектирования и выполнения процесса.

5. Подсистема управления наследованием отклонения формы рабочих поверхностей неравножестких тонкостенных деталей, реализующая автоматизированную процедуру имитационного моделирования поведения деталей сложной конструкции при воздействии локальным поверхносто-пластическим деформированием.

В основу выполненных исследований положена следующая теоретическая база: научные основы технологии машиностроения, разработанные д.т.н. проф. А. П. Соколовскимтеория надежности машин, разработанная д.т.н. проф. А. С. Прониковымтеория технологической наследственности, разработанная д.т.н. проф. A.M. Дальскимтеоретические основы технологического обеспечения параметров поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин на стадии их изготовления, разработанные д.т.н. проф. Э. В. Рыжовым и получившие дальнейшее развитие 6 в работах д.т.н. проф. А. Г. Суслованаучные основы и технологические принципы отделочно-упрочняющих методов обработки сплавов и покрытий поверхностно-пластическим деформированием (алмазное выглаживание) и комбинированными методами, разработанные д.т.н., проф. JI.A. Хворостухинымтеоретические основы механики поверхностно-пластического деформирования, разработанные д.т.н., проф. В. М. Смелянским.

НА УЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Установлены закономерности качественного и количественного проявления технологического наследования отклонений формы при изготовлении неравножестких деталей ПГС двигателей JIA.

2. Сформирован концептуальный каскадный граф системы наследственных связей для технологического процесса изготовления прецизионных деталей JIA, применяемый для построения математической модели и решения задач имитационного моделирования.

3. Впервые разработана имитационная модель технологического наследования, включающая в себя, в качестве подсистем, имитационные модели наследования основных параметров качества поверхностного слоя.

4. Разработаны рекомендации по управлению отклонениями формы для неравножестких деталей ПГС на основе имитационного моделирования и применения прогрессивных методов обработки. Все основные результаты получены автором лично.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Полученные в работе теоретические и практические результаты обоснованы использованием методов и средств математического моделирования, теории проектирования и технологии производства ДЛА. Достоверность результатов подтверждается хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных показателей параметров поверхностного слоя прецизионных деталей ДЛА.

Практическая значимость работы. Большой экспериментальный, научно-технический задел и полученные результаты в области прогрессивных методов обработки поверхностей (поверхностно-пластическое деформирование, нанесение покрытий, электроэрозионная обработка, комбинированные методы упрочнения и др.) требует новых методов создания и систем обслуживания технологических баз знаний, позволяющих накапливать научно-технический опыт, соответствовать особенностям проектирования, служить гибкой основой для принятия технологических решений.

При этом повышается эффективность систем автоматизированного проектирования технологических процессов, обеспечивается возможность исследования множества вариантов технических решений, повышается качество результатов проектирования, прогнозирования, что особенно важно в условиях единичного и мелкосерийного производства, на долю которых приходится 75−80% продукции специальных отраслей машиностроения, а также в условиях выпуска широкой номенклатуры изготавливаемых деталей.

Оценка проявления технологического наследования может рассматриваться как самостоятельный этап технологической подготовки производства. Основными моментами исследования технологического наследования является установление факта переноса определенного свойства от предшествующей операции к последующим, а также количественная сторона вопроса, что позволяет интегрировать информационные потоки технологических баз знаний в автоматизированной системе управления технологическими системами наукоемких отраслей машиностроения.

Одно из возможных применений систем имитационного моделирования — это прогнозирование развития технологических объектов путем предвидения их количественных параметров, анализируя физические закономерности, которые лежат в основе создания модели.

Широкие перспективы применения автоматизированных систем моделирования технологических процессов открываются в условиях изготовления и исправления высокоточных дорогостоящих деталей.

Использование интегрированных моделей в качестве системы прогнозирования позволяет выявить критические факторы в производстве деталей такого класса без многочисленных дорогостоящих экспериментов. Модели технологического наследования позволяют выявить причины отклонений, установить условия и точки регулирования выходных параметров рассматриваемого технологического процесса.

Комплексный подход позволяет учитывать требования заказчика на всех стадиях производства изделий, для всех элементов производственных процессов и, таким образом, резко повысить качество, снизить затраты на подготовку производства изделий.

Результаты выполненных исследований являются научно-методической базой для управления технологическим наследованием отклонений формы прецизионных деталей ДЛА. Обобщены и систематизированы схемы влияния и коэффициенты технологического наследования. Создана методика моделирование технологических систем с учетом технологического наследования. Реализована в программе Matlab Simulink 6.0 математическая модель технологического наследования параметров поверхностного слоя открытого типа.

Внедрение результатов работы.

Материалы диссертации использовались в учебном процессе «МАТИ» -Российский Государственный Технологический Университет им. К. Э. Циолковского при подготовке специалистов по специальностям: «Технология производства двигателей летательных аппаратов» .

Апробация результатов работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Российских и международных конференциях, опубликованы в 11 трудах, разработка защищена свидетельством официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 006 611 486.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и содержит 137 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 88 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Предложена концепция технологического наследования применительно к процессам изготовления прецизионных деталей пневмогидросистем, учитывающая содержание операций и последовательность обработки, зависимости и закономерности изменения геометрических параметров для управления точностными параметрами.

2. Исследовано влияние технологического наследования на точностные параметры деталей и физико-механическое состояние поверхности, а также отклонения формы деталей цилиндрического и кольцевого типов неравной жесткости, получены соответствующие аналитические зависимости, позволяющие моделировать с учетом наследования операции технологического процесса.

3. Разработана имитационная модель технологического процесса изготовления прецизионных деталей пневмогидросистем с учетом коэффициентов наследования свойств и динамики наследования основных параметров процесса, позволяющая оценивать состояние, прогнозировать изменения и управлять характеристиками поверхностного слоя (защищена авторским свидетельством № 2 006 611 486).

4. Разработана методика моделирования технологического процесса отражающая влияние технологического наследования и позволяющая исследовать методами математического моделирования технологические процессы для различных групп прецизионных деталей с изменяющимися требованиями конструкторов.

5. Осуществлен научно-обоснованный выбор управляющего звена технологического процесса — локального поверхностно-пластического деформирования (ЛППД), модуль которого включен в имитационную модель и определяет влияние ЛППД на отклонения формы. Выполнен широкий спектр вычислительных и физических экспериментальных исследований по управлению формой маложестких деталей при воздействии ЛППД, сравнение результатов которых свидетельствует о высокой степени сходимости имитационных данных с экспериментальными (расхождение не превышает 57%), что позволяет рекомендовать предложенную методику для проектирования технологических процессов изготовления прецизионных деталей.

6. Реализация процедуры управления наследованием отклонения формы в автоматизированной системе моделирования процесса изготовления прецизионных деталей и управляющего воздействия в процессе изготовления обеспечивает повышение требований по точности изготовления до 0,01 мм. без трудоемких доводочных и притирочных операций. Применение в качестве управляющего воздействия ЛППД позволило уменьшить изгиб оси цилиндра на 30−40 мкм, некруглость рабочих поверхностей корпуса до 21% (Пбмкм). При этом учет влияния технологического наследования приводит к уменьшению величины отклонения и устойчивому сохранению полученных свойств и параметров.

7. Методика управления технологическим наследованием позволяет проводить анализ действующих технологических систем, устранять причины нестабильности технологических процессов и повышать технико-экономическую эффективность изготовления прецизионных деталей ПГС (снижение брака более чем на 25%), что особенно важно в условиях единичного и мелкосерийного производства.