Процесс производства рабочей лопатки турбины ТНА ЖРД РД-180

Оглавление

Аннотация

Введение

Краткое описание ТНА РД-180

Глава1. Технологическая часть

.1 Условия работы лопатки турбины ТНА

.2 Выбор материала и заготовки

.2.1 Химический состав материала

.2.2 Физические свойства материала ( при Т = 20 °С )

.2.3 Механические свойства материала ( при Т = 20 °С )

.2.4 Термическая обработка

.3 Технологический процесс изготовления лопатки

.4 Анализ технологичности изделия

1.4.1 Коэффициент использования материала

.4.2 Коэффициент точности обработки

1.4.3 Коэффициент применения типовых технологических процессов

.5 Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов

.6 Алмазные ролики для правки

.6.1 Виды изготовления алмазных роликов

.6.2 Допуски

.6.3 Конструкция

.6.4 Зернистость

.6.5 Сорт алмаза - D 711 А

.6.6 Содержание алмазов

.6.7 Первичное изготовление и расчет нового алмазного ролика для правки

.6.8 Эксплуатация

.6.9 Расположение осей

.6.10 Режимы обработки

.7 Выбор баз и обоснование последовательности обработки детали

.8 Расчет припуска на механическую обработку в операции №12

.9 Режимы резания

.10 Нормирование

Глава 2. Конструкторская часть

.1 Описание приспособления

.2 Расчет приспособления на силу зажима

Глава 3. Исследовательская часть

.1 Основы процесса гидродробеструйного упрочнения

.2 Технология процесса гидродробеструйного упрочнения

.2.1 Устройство и работа установки для гидродробеструйного упрочнения

.2.2 Технологические требования к процессу

.2.3 Порядок обработки

.2.4 Контроль упрочнения

.3 Определение остаточных напряжений

.4 Усталостные испытания лопаток

.4.1 Цель испытаний

.4.2 Объект испытаний - лопатки турбины ТНА

.4.3 Исследование собственных частот

.4.4 Оборудование для усталостных испытаний лопаток

.4.5 Исследование распределения относительных напряжений

.4.6 Метод испытаний на усталость

.4.7 Метод обработки результатов испытаний

.5 Результаты испытаний

Глава 4. Часть по автоматизации

.1 Описание программного пакета CATIA

.1.1 Применение и возможности CATIA

.1.2 Описание модулей пакета программ CATIA

.2 Основные функции построение модели и чертежа деталей в САПР CATIA

.2.1 Интерфейс пользователя

.2.2 Создание двухмерной геометрии, образмеривание и нанесение надписей

.2.3 Создание трехмерной модели детали и построение на ее основе двухмерной геометрии

.3 Построение модели лопатки турбины ТНА

Глава 5. Промышленная экология и безопасность производства

.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины. Определение основных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Разработка мер защиты

.1.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины

.1.2 Анализ вредных воздействий на окружающую среду и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования

.1.3 Анализ вредных воздействий на здоровье человека и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования

.2 Анализ и расчет освещённости рабочего места

.2.1 Анализ освещённости рабочего места

.2.2 Расчет на освещенность рабочего места

.3 Вентиляция производственного помещения

.4 Меры противопожарной защиты

.5 Выводы по результатам анализа вредных и опасных факторов

Глава 6. Расчет экономической эффективности внедрения нового технологического процесса

.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА

.1.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в проектируемом варианте

.1.2 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в базовом варианте

.2 Расчет годового экономического эффекта от внедрения нового технологического процесса

.2.1 Расчет затрат на материал

.2.2 Расходы на зарплату

.2.3 Затраты на производственную площадь

.2.4 Расчет затрат на эксплуатацию оборудования

.2.5 Расчет энергетических затрат

.2.6 Расчет себестоимости техпроцессов и экономического эффекта от внедрения

.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового технологического процесса

.3.1 Расчет капиталовложений в оборудование

.3.2 Расчет затрат на освоение новой технологии

.3.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового ТП

Выводы по работе

Литература и другие источники

лопатка турбина шлифование правка

Аннотация

В данном дипломном проекте в технологической части (первый раздел) рассмотрен техпроцесс производства рабочей неохлаждаемой лопатки газовой турбины. Также в первом разделе описаны условия работы детали в узле, способ получения заготовки, приведены характеристики материала лопатки ЦНК-7П, проведен анализ технологичности, описан выбор баз для механической обработки, рассчитан припуск на обработку промежуточной технологической базы, проведено нормирование операций глубинного шлифования. В технологической части подробно описан способ механической обработки - глубинное шлифование и правящий алмазный инструмент. В конструкторской части рассмотрено приспособление для крепления детали при обработке хвостовика лопатки, и проведен расчет силы винтового зажима для данного приспособления. В исследовательской части рассмотрен процесс гидродробеструйного упрочнения замка лопатки: описаны сущность процесса, устройство гидродробеструйной установки, методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое и усталостные испытания детали. В части по автоматизации рассмотрен программный пакет CATIA, его применение с промышленности, программные продукты данного пакета. Также рассмотрен процесс построения двухмерной и трехмерной геометрии, процесс создания модели лопатки в системе автоматизации проектирования CATIA. . В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. В экономической части рассчитана эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.

Введение

Одной из самых сложных машиностроительных конструкций является газовая турбина.

Развитие газовых турбин определяется, в первую очередь, развитием авиационных газотурбинных двигателей для военных целей. При этом главным является повышение удельной тяги и снижение удельного веса. Проблемы экономики и ресурса для таких двигателей являются вторичными.

Одной из самых нагруженных деталью, ограничивающей межремонтный ресурс, являются неохлаждаемые лопатки турбины, изготавливаемые из деформируемого никелевого сплава ЭИ893. Лопатки из этого сплава из-за ограничений по длительной прочности имеют ресурс 48000 часов. В настоящее время при производстве лопаток турбин существует достаточно высокая конкуренция, поэтому вопросы снижения стоимости и повышения ресурса лопаток являются очень актуальными.

В данном дипломном проекте рассмотрена сравнительно новая для отечественной промышленности технология производства неохлаждаемых лопаток турбин большой длины (более 200 мм). В качестве заготовки лопатки применяется отливка из материала ЦНК-7П без припуска на механическую обработку пера, подвергнутая горячему изостатическому прессованию. Для снижения трудоемкости изготовления лопаток используется глубинное шлифование замка, а для повышения сопротивления усталости замок лопатки после шлифования подвергается гидродробеструйному упрочнению.

В данном дипломном проекте рассмотрена технология производства рабочей лопатки турбины. Поскольку данный техпроцесс универсален для лопаток самых разных размеров, он может применятся как для изготовления лопаток турбинынизкого давления ГТД (либо ГТУ), так и турбины ТНА ЖРД. В этой работе рассмотрена лопатка для ТНА ЖРД РД-180. Однако в силу универсальности материала лопаток и техпроцесса мы уделяем повышенное внимание также и ресурсу изделия. Подробно рассмотрен процесс глубинного шлифования для деталей из жаропрочных сплавов, какой является турбинная лопатка, и описаны технология производства и свойства используемых в глубинном шлифовании алмазных роликов для правки шлифовальных кругов. В проекте рассчитано на точность и силу зажима приспособление "щучья пасть", широко применяемое при операциях глубинного шлифования в процессе производства лопатки. В исследовательской части рассмотрен процесс повышения усталостной прочности путем обдувки дробью в жидкой среде замка лопатки (гидродробеструйное упрочнение), описаны методики определения остаточных напряжений и проведения усталостных испытаний лопатки. Также в работе описана система автоматизации проектирования CATIA и создание в данной системе модели детали и конструкторской документации. В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. Рассчитана также эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.

Краткое описание ТНА РД-180

*Описание дано без газогенератора.

Турбонасосный агрегат выполнен по одновальной схеме и состоит из осевой одноступенчатой реактивной турбины, одноступенчатого шнекоцентробежного насоса окислителя и двухступенчатого шнекоцентробежного насоса горючего (вторая ступень используется для подачи части горючего в газогенераторы).

На основном валу с турбиной находится насос окислителя, соосно с которым на другом валу расположены две ступени насоса горючего. Валы насосов окислителя и горючего соединены зубчатой рессорой для разгрузки вала от температурных деформаций, возникающих вследствии большой разницы температур рабрчих тел насосов, а также для предотвращения замерзания горючго.

Для защиты радиально-упорных подшипников валов от чрезмерных нагрузок применены эффективные авторазгрузочные устройства.

Турбина - осевая одноступенчатая реактивная. Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции или трения вращающихся деталей о неподвижные (вследствие выборки зазоров от деформаций или наклепа на сопрягаемых поверхностях от вибрации) зазор между лопатками соплового аппарата и ротора сделан относительно большим, а кромок лопаток - относительно толстыми.

Чтобы исключить возгорание и разрушение деталей газового тракта турбины, в конструкции применены никелевые сплавы, включая жаропрочные для горячих газовых магистралей. Статор и выхлопной тракт турбиныпринудительно охлаждаются холодным кислородом. В местах малых радиальных или торцевых зазоров используются разного рода теплозащитные покрытия (никелевые для лопаток ротора и статора, металлокерамического для ротора), а также серебряные или бронзовые элементы, исключающие возгорание даже при возможном касании вращающихся и неподвижных деталей турбонасосного агрегата.

Для уменьшения размеров и массы посторонних частиц, могущих привести к возгоранию в газовом тракте турбины, на входе в двигатель установлен фильтр с ячейкой 0.16*0.16 мм.

Насос окислителя. Высокое давление жидкого кислорода и, как следствие, повышенная опасность возгорания обусловили конструктивные особенности насоса окислителя.

Так, вместо плавающих уплотнительных колец на буртах крыльчатки (обычно используемых на менее мощных ТНА) применены неподвижные щелевые уплотнения с серебряной накладкой, поскольку процесс "всплывания" колец сопровождается трением в местах контакта крыльчатки с корпусом и может привести к возгоранию насоса.

Шнек, крыльчатка и торовый отвод нуждаются в особенно тщательном профилировании, а ротор в целом - в особых мерах по обеспечению динамической сбалансированности в процессе работы. В противном случае вследствие больших пульсаций и вибраций происходят разрушения трубопроводов, возгорания в стыках вследствие взаимного перемещения деталей, трения и наклепа.

Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции (шнека, крыльчатки и лопаток направляющего аппарата) в условиях динамического нагружения с последующим возгоранием из-за затирания обломков использованы такие средства, как повышение конструктивного совершенства и прочности за счет геометрии, материалов и чистоты отработки, а также введение новых технологий: изостатическое прессирования литых заготовок, применение гранульной технологии и другие виды.

Бустерный насос окислителя состоит из высоконапорного шнека и двухступенчатой газовой турбины, привод которой осуществляется окислительным газом, отбираемом после основной турбиныс последующим перепуском его на вход в основной насос.

Бустерный насос горючего состоит из высоконапорного шнека и одноступенчатой гидравлической турбины, работающей на керосине, отбираемом после основного насоса. Конструктивно бустерный насос горючего аналогичен бустерному насосу окислителя со следующими отличиями:

·        одноступенчатая гидротурбина работает на горючем, отбираемым с выхода насоса горючего основного ТНА;

·        отвод горючего высокого давления для разгрузки шнека от действий осевых производится из входного коллектора гидротурбины БНАГ.

Таблица 1: ТТХ ТНА

Параметр	Значение		Единицы
	Окислитель	Горючее
Давление на выходе из насоса	60.2	50.6	Мпа
Расход компонента через насос	1792	732	кг/с
КПД насоса	0.74	0.74	мм
Мощность на валу	129.2	57.2	МВт
Скорость вращения вала	13850		об/мин
Мощность турбины	189.3		МВт
Давление на входе в турбину	50.9		Мпа
Количество ступеней	1
Степень понижения давления на турбине	1.94
Температура на входе в турбину	870		К
КПД турбины	0.79

Глава1. Технологическая часть

 

1.1 Условия работы лопатки турбины ТНА

Лопатка турбины ТНА (лист № 1) является одной из самых нагруженных деталей турбонасосного агрегата ЖРД. В процессе работы на лопатку действуют:

1. Большие центробежные силы от вращения (порядка 14000 об/мин).

2. Горячий окислительный газ, нагретый в камере сгорания до высокой температуры порядка 600°С и содержащий избыток окислительных элементов и примеси, приводящие к окислению и газовой коррозии поверхности.

3. Высокие изгибающие моменты от газовых сил.

1.2 Выбор материала и заготовки

В качестве материала лопатки выбран литейный никелевый сплав ЦНК-7П, имеющий более высокий (примерно в 1.3 раза) предел длительной прочности, позволяющий повысить ресурс лопаток до 100000 часов и отлить перо лопатки без припуска на механическую обработку.

Недостатком литейного сплава является более низкий предел выносливости, вследствие более высокой пористости по сравнению с деформируемыми сплавами, что всегда ограничивало применение литейных сплавов для неохлаждаемых лопаток турбиныбольшой длины.

Применение горячего изостатического прессования (ГИП) отливок позволило существенно снизить разницу в пористости и пределах выносливости для пера. В то же время для замка, вследствие большего объема металла отливки, эта разница остается w заметной. В качестве способа литья используется литье по выплавляемым моделям.

1.2.1 Химический состав материала

С=0.07 %, Si=0.3 %, Мn = 0.3 %, Р =0.01 %, S= 0.001%, Cu = 15.5 %, Со = 9.5 %,

Ti = 4.4 %, А1 = 4.3 %, W= 6.2 %, В= 0.2 %, Fe = 1 %, Са = 0.01 %, Mg =0.01 %, 0₂ =0.002 %,

 = 0.001 %, Ni - всё остальное

1.2.2 Физические свойства материала ( при Т = 20 °С )

-модуль упругости , Е = 210 ГПа -модуль сдвига , G = 81 ГПа -теплопроводность , у = 8 Вт/ м * К -теплоёмкость , Ср = 440 Дж/К* кг

 

.2.3 Механические свойства материала ( при Т = 20 °С )

-предел прочности = 850 МПа -предел текучести = 750 МПА -относительное удлинение -относительное сужение

ударная вязкость

1.2.4 Термическая обработка

Используется гомогенизация. Нагрев до Т = 1190 ⁰ С. Скорость нагрева регламентируется отсутствием деформации изделия. Выдержка - 4 часа. Охлаждение со скоростью 30-45 градусов/мин до Т =1050 ⁰ С. Выдержка - 2 часа. Охлаждение до Т = 850°С со скоростью 10 - 40 градусов/мин. Далее скорость не регламентируется. Атмосфера: вакуум, не менее 10^-3 бар.

1.3 Технологический процесс изготовления лопатки

Данный технологический процесс изготовления рабочей лопатки турбины ТНА отличается от ранее применяемого техпроцесса: во-первых, применением в качестве заготовки отливки, подвергнутой горячему изостатическом прессованию, вместо штамповки; во-вторых, включением в техпроцесс операции глубинного шлифования, которая заменила собой операции фрезерования и шлифования; в-третьих, включением в техпроцесс операции гидродробеструйного упрочнения замка лопатки.

Использование отливки и ГИП позволило исключить механическую обработку пера лопатки, применение глубинного шлифования - снизить трудоемкость механической обработки хвостовика лопатки, а гидродробеструйное упрочнение замка лопатки - повысить их предел выносливости. Ниже приведен технологический процесс изготовления лопатки (табл.2)

Таблица 2,1

Номер операции	Вид операции	Обрабатываемая поверхность	Оборудование	Инструмент	Приспосо бление
			шлифования ЛШ-220	180/А-013 3-1-500*40* 203*15°
035	Контроль	Профиль хвостовика	Микроскопи ческий проектор	УИМ-21 БП-5
040	Контроль	Профиль хвостовика	Рабочее место контроллера
045	Шлифовальная	Основание хвостовика	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-025 1-500*80*203	330/А-091
050	Шлифовальная	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-017 1-500*50*203	330/А-108 330/А-092
055	Полировальная	Профиль хвостовика	Станок полировальн ый 950/582	Круг гибкий 1-100..125*10... .20*20
060	Маркирование	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Бормашина БЭБП-07А	Бор твердосплавный
065	Контроль	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Рабочее место контроллера
070	Шлифовальная	Торец хвостовика со стороны входной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-017 1-500*50*203	33 0/А-108 ЗЗО/А-093
073	Полировальная	Контур хвостовика	Станок полировальн ый 950/582	Круг гибкий 1-100..125*10... .20*20
075	Шлифовальная	Гребешок пера	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-012 1-500*50*203	ЗЗО/А-096 330/А-613
080	Шлифовальная	Полка пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-012 1-500*50*203	330/А-108 330/А-093
085	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-029 1-500*50*203	330/А-095
090	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны входной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-029 1-500*50*203	ЗЗО/А-097 33 0/А-108 260/А-001
095	Полировальная	Скругление между гребешком и Выходной кромкой пера	Станок полировальн ый 950/582контр оллера	Войлочные круги с абразивным зерном 25А(24А) 6...10
100	Промывочная		Ванна
105, ПО	Контроль		Рабочее место контроллера
115	Промывочная		Рабочее место контроллера
120, 130, 155,	Диспетчерская		Рабочее место диспетчера
125	Термическая (старение)
135,165	ЛЮМ контроль 1		Рабочее место диспетчера
140	Вибрационный контроль		Рабочее место диспетчера		440/А-001 440/А-001
145	Гидродробестру иное упрочнение	Хвостовик лопатки	ТП1126.25. 150
150	Обезжиривание		Рабочее место диспетчера
160	Испытания на усталость				440/А-003
170	Определение статического момента		Установка ВЭМ-0,5Н		38.369/098
175	Окончательный контроль		Рабочее место контроллера
180	Комплектовочна я		Рабочее место диспетчера
Номер операции	Вид операции	Обрабатываемая поверхность	Оборудование	Инструмент	Приспосо бление
185	Расстановка		ПК
190	Маркирование	Торец хвостовика со стороны входной кромки	Бормашина	Бор твердосплавны й
195	Окончательный контроль комплекта		Рабочее место контроллера
200	Упаковочная				990/А-001

1.4 Анализ технологичности изделия

Под технологичностью конструкции детали понимается совокупность свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовление, эксплуатации и ремонта и обеспечении технологичности сборочной единицы, в состав которой входит данная деталь.

Расчёт показателей технологичности:

1.4.1 Коэффициент использования материала

 

где М_дет - масса готовой детали, М_загот - масса заготовки.

 

1.4.2 Коэффициент точности обработки

 

Где:

 - средний квалитет обработки,

А - квалитет обработки;

 - количество поверхностей, обработанных по этому квалитету.

 

1.4.3 Коэффициент применения типовых технологических процессов

 

Где:

 - число типовых технологических операций;

 - число всех технологических операций;

В технологическом процессе производства рабочей лопатки используются две типовые технологические операции - глубинное шлифование и полирование.

 

Как видно из показателей технологичности, лопатка турбины является высоко технологичной деталью благодаря применению бесприпускного литья, и, следовательно, исключению из технологического процесса механической обработки пера и повышению коэффициента использования материала. Также технологичность повышается за счет применения процесса глубинного шлифования, которое заменило операции фрезерования и шлифования хвостовика лопатки.

1.5 Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов

В данном разделе широко рассмотрен процесс глубинного шлифования для обработки деталей из жаропрочных сплавов, какой и является турбинная лопатка. Внедрение данного типа обработки позволило повысить производительность техпроцесса производства лопатки. Глубинное шлифование является основной операцией в данном ТП. В разделе рассмотрены история внедрения глубинного шлифования, теория процесса, различные способы обработки, виды оборудования для глубинного шлифования, шлифовальная головка

История развития процесса внедрения глубинного шлифования начался в начале 70-х годов, когда бурное наращивание объемов выпуска высокоресурсных авиационных двигателей заставило мировых производителей в отрасли авиадвигателестроения искать пути решения проблемы повышения производительности и качества обработки особо ответственных высоконагруженных деталей турбины, где вопросы обрабатываемости обеспечения ресурса стояли особенно остро.

Эффективное решение, этих задач не обеспечивалось использованием традиционных методов механической обработки, поскольку форсирование режимов обработки при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов ограничивается низкой стойкостью режущего инструмента и ухудшением качества поверхностного слоя деталей.

Идея производительного съема материала абразивными кругами всегда привлекала внимание специалистов, так как известно, что абразивные материалы превосходят по твердости все известные стали и сплавы. Имелись и отдельные примеры решения этой задачи. Такими примерами может служить вулканитовая резка, производительные схемы шлифования плоских поверхностей с большой глубиной резания (до 5 мм и более) боковой поверхностью круга с поперечной циклической подачей до нескольких миллиметров на ход.

Однако всегда считалось, что высокопроизводительные процессы абразивной обработки несовместимы с обеспечением высокой точности и качества поверхностного слоя ответственных деталей, так как велика вероятность потери размерной стойкости и появления прижогов. Одним из путей повышения эффективности механической обработки и явилось внедрение в производство глубинного шлифования. Оно потребовало решения комплекса вопросов с целью повышения технологической надежности процесса, включающих разработку и выбор технологических схем обработки; оборудования; режущего и правящего инструмента; рецептуры, способов подачи и очистки СОЖ, режимов правки и шлифования; теоретического и экспериментального подтверждения гарантии достижения требуемой точности и качества шлифуемой поверхности.

Особенность внедрения глубинного шлифования заключалась в том, что оно начала практически было использовано в производстве и показало отличные результаты. Так, при изготовлении турбинных лопаток производительность увеличилась в 4 раза, точность - в 2 раза, шероховатость поверхности снизилась в 2 раза, значительно повысилась работоспособность замкового соединения. При опытной обработке условий и режимов шлифования были тщательно исследованы все контролируемые показатели качества обработанной поверхности: шероховатость, глубина и степень наклепа, остаточные напряжения, микроструктура, возможность появления шлифовочных трещин. Все показатели при шлифовании были лучше или аналогичны ранее используемому фрезерованию. Ничем не отличался и уровень возникновения дефекта по возможному появлению несплошности поверхностного слоя, выявляемый по свечению люминофора и связанный с выходом на поверхность пор и расслоений материала по границам зерен, образующихся при литье. Однако через некоторое время этот дефект стал классифицироваться как шлифовочные трещины.

Чтобы определить границы надежного использования процесса необходимо было исследовать его теоретически. В нашей стране этим занялись специалисты ОАО "Рыбинские ученые Рыбинской государственной авиационной технологической академии (РГАТА) и отраслевого научно-исследовательского института технологии авиадвигателестроения (НИИД).

Исследованиями этой группы изучены многие аспекты процесса: теплофизические явления в зоне контакта, микрорезание и затупление зерен, износ кругов и правка, условия существования оптимальных режимов шлифования, охлаждение и механизм образования остаточных напряжений, условия и причины появления неустойчивости процесса,- что позволило хорошо понять процесс и осознанно применять его на практике.

Особым случаем применения глубинного шлифования является глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, какой является лопатка турбины. Из производственной и исследовательской практики известно, что шлифование жаропрочных сплавов отличается от шлифования конструкционных сталей. Наличие в жаропрочных сплавах упрочняющей интерметаллидной '-фазы и карбидов, имеющих высокую микротвердость (HV 2030-2060), приводит к интенсивному изнашиванию круга и увеличению мощности шлифования. Это подтверждается данными по относительной мощности и удельной производительности шлифования различных материалов с широким изменением прочностных и теплофизических свойств.

Если оценивать относительную мощность шлифования энергетическим безразмерным критерием  (где P_z - тангенциальная составляющая силы резания, Н; Vk - скорость вращения абразивного круга, м/с; V3 - продольная подача заготовки, м/с; - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, Вт/м*К; максимальная контактная температура шлифования), а удельную производительность q - отношением съема металла к износу круга в единицу времени, то эти показатели будут сильно отличаться для различных материалов, как это видно из таблицы 2

Таблица 3

Материал	А	q	Материал	А	q
Сталь 45	18	Х20Н77Т2ЮР	62	3.2
30ХГСА	18	25	ЖС6К	80	2.0
18ХН2Н4ВА	36	18	ВТ9	90	1.6
12Х18Н10Т	42	10	ЦНК-7П	92	1.5

Изнашивание инструмента является следствием истирания и выкрашивания частиц зерен под действием механических и температурных факторов. Ухудшение условий обработки вызывает рост контактной температуры шлифования и повьппает вероятность появления поверхностных дефектов на детали. Возникновение поверхностных дефектов в большей мере наблюдается при шлифовании материалов, обладающих малой теплопроводностью и аккумулирующих теплоту в тонком поверхностном слое.

При многопроходном циклическом нагреве во время обычного маятникового шлифования происходят необратимые формообразования зерен структуры обрабатываемого материала, приводящие к перераспределению микронапряжений, которые по величине могут превысить критические, характерные для малоцикловой усталости. В результате возникают поверхностные дефекты в виде шлифовочных трещин. Отсутствие многократного цикла нагрева и охлаждения является одним из преимуществ глубинного шлифования.

Таким образом, при глубинном шлифовании за счет изменения кинетики термического цикла могут быть созданы условия, исключающие возникновение термопластических деформаций поверхностного слоя и ослабляющие интенсивность протекания фазовых, микроструктурных и диффузионных процессов. Это достигается подбором состава и способов подачи СОЖ, назначением оптимальных характеристик и циклов правки круга и режимов резания.

Проведенные исследования температурного поля заготовки при глубинном шлифовании позволили установить, что при реально создаваемой интенсивности охлаждения количество теплоты, уходящее в обрабатываемую поверхность, в зависимости от условий обработки составляет 32...83 % от всего выделившегося тепла Причем, чем больше угол наклона  (чем больше глубина шлифования) и меньше скорость заготовки , тем большее количество теплоты уходит в снимаемые с заготовки слои металла и тем ближе смещаются максимальные значения температуры на ее поверхности к точке А (рис. 1.1). (Q_m - отношение температуры в произвольной точке дуги контакта М к температуре в точке А).

Рис 1.1 Схема шлифования (а) и зависимость относительной температуры по длине контакта круга с заготовкой (б) при глубинном шлифовании: 1) Р_е=1; 2)Р_е=0.6; 3)Р_е=0.4; 4) Р_е=0.1; 5) Р_е=0.02

Для обеспечения отвода как можно большего количества теплоты в снимаемые слои металла кинематические параметры процесса должны удовлетворять следующему условию:

 

Где: Р_е - критерий Пекле, характеризующий скорость съема металла по отношению к скорости распространения температуры в обрабатываемую заготовку; V_з - продольная скорость перемещения заготовки, м/с;

D - диаметр круга, м;

t - глубина шлифования, м;

а - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м² /с.

Интенсивный теплообмен в зоне шлифования обеспечивается обильной подачей СОЖ под давлением. Минимальное значение коэффициента теплообмена а₀=(3,5...5)*10³ Вт/(м С) служит мерой эффективности охлаждения и снижения температуры на участке контакта круга с заготовкой. Расчеты показали, что при обеспечении такой интенсивности теплообмена температура в точке А при кинематическом ограничении (1) составит 300...500 С⁰, что является гарантией отсутствия дефектов на обработанной поверхности в виде прижогов и трещин. Большое внимание на температуру шлифуемой поверхности оказывает скорость заготовки. При традиционных видах шлифования при t <0,1 мм и скорости детали V_з>10 м/мин, увеличение V_z приводит к некоторому уменьшению температуры шлифования. Это объясняется уменьшением времени контакта с обрабатываемой поверхностью. Интенсивность накопления теплоты в поверхностном слое снижается, и температура уменьшается. Этому способствует еще и тот факт, что при малых глубинах (до 0,04 мм) увеличение V_з не приводит к увеличению толщины срезаемого слоя, которая становится равной глубине резания, что также сказывается на интенсивности тепловыделения. При больших глубинах эта особенность уже не наблюдается, и температура возрастает постоянно, так как непрерывно увеличивается толщина срезаемого одним зерном слоя. Эти режимы являются наиболее опасными с точки зрения прижогообразования (рис. 1.2).

Для ограничения температуры шлифования нужно резко снижать скорости V_з, что является предпосылкой перехода к глубинному шлифованию.

При глубинном шлифовании с ростом Уз температура также возрастает. Однако при увеличении глубины шлифования с одновременным уменьшением Уз температура шлифования снижается, причем прирост глубины превышает темп снижения скорости заготовки за счет возрастания количества теплоты, уходящей в стружку, что увеличивает производительность процесса. Кроме того, уменьшается толщина срезаемого абразивным зерном слоя, возрастает количество режущих зерен по длине контакта круга с обрабатываемой поверхностью, и, как следствие этого, уменьшается уровень термодинамических нагрузок, воспринимаемых системой зерно-связка, участвующих в резании. Как следует из проведенных исследований, эти эффекты наблюдаются при соотношении скорости круга и заготовки .

Таким образом, бездефектное глубинное шлифование обеспечивается при режимах шлифования и технике подачи СОЖ, удовлетворяющих следующим условиям:

.

На основании проведенных исследований сделан вывод, что, поскольку при глубинном шлифовании абсолютная температура обработанной поверхности невелика и она более равномерно прогрета до этих умеренных температур, то в поверхностных слоях не создается условий для возникновения термопластических деформаций, а следовательно, и условий для наведения остаточных напряжений растяжения. Таким образом, остаточные напряжения, главным образом, формируются под действием сил резания абразивных зерен и являются сжимающими. Это убедительно объяснило многочисленные экспериментально полученные в период освоения кривые распределения остаточных напряжений, часть из которых приведена на рис. 1.3.

Рис 1.3 Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое после различных методов обработки: а) маятниковое шлифование (круг 25А40ПСМ27К5, сплав ХН62 МВКЮ-ВД, V_k=35 м/с, V_з=0.4 м/с, t =0.05 мм); б) фрезерование ( 1)ЖС6К, 2)ХН77ТЮР ); в) глубинное шлифование ( 1)ЖС6К, 2 - ХН77ТЮР, круг 24ПВМ212К5П40-20, V_k=30 м/с, V₃=0.001 м/с , t=1.5 мм)

Характерной чертой формирования остаточных напряжений при глубинном шлифовании является идентичность их распределения независимо от некоторых колебаний условий шлифования и марок обрабатываемых материалов. Распределение сжимающих напряжений происходит в более тонком слое у поверхности детали, чем при фрезеровании, что свидетельствует о меньшей глубине проникновения пластических деформаций.

Это подтверждается результатами измерений микротвердости, приведенными в таблице 4

Из таблицы следует, что глубина и степень наклепа при шлифовании значительно меньше, чем при фрезеровании, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках деталей, работающих в условиях высоких температур.

Отмеченные преимущества глубинного шлифования могут быть надежно реализованы при создании определенных технологических условий эффективной обработки. Технологические требования к процессу определяются эксплуатационными характеристиками детали и себестоимостью ее изготовления. Эти факторы определяют режимы шлифования, характеристики режущего и правящего инструментов, способ подачи и вид СОЖ, а также другие технологические параметры.

С этой целью для глубинного шлифования заготовок деталей ГТД высокой точности из труднообрабатываемых материалов разработаны технологические рекомендации. Они включают, кроме общих принципов назначения режимов шлифования, указанных выше, правила выбора характеристик абразивных кругов и условий их эксплуатации; правку и выбор правящего инструмента; способ подачи и состав СОЖ; требования к станкам с учетом специфики глубинного шлифования.

Характеристика режущего инструмента (вид абразивного материала, зернистость, твердость, структура, связка) определяется условиями работы абразивных зерен и требованиями к производительности обработки и качеству шлифованной поверхности.

Важнейшим показателем условий работы зерна является максимальная глубина его врезания в обрабатываемый материал, которая определяется глубиной врезания абразивного круга Наибольшая глубина врезания а, определяется выражении:

 

Где:

с - коэффициент;

V_з и V_k - скорости перемещения заготовки и вращения круга, м/с;

t - глубина шлифования, м ;

D - диаметр круга, м.

Анализ формулы показывает, что при прочих равных условиях переход на режим глубинного шлифования с сохранением производительности снижает толщину срезаемого слоя одним зерном в 10...12 раз, поэтому нагрузка на зерно при микрорезании существенно снижается, а объем срезаемой стружки увеличивается. Это дает возможность применять абразивные круги самой низкой твердости ВМ1, ВМ2 и делает необходимым увеличение их пористости.

Обобщение результатов исследований прочности системы зерно - связка в условиях динамического и теплового ударов, характеризующих работу зерна при каждом цикле резания в условиях глубинного шлифования, позволило сделать следующие выводы:

· для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml прочность системы зерно - связка при динамическом ударе определяется прочностью связки;

· вероятность разрушения системы зерно - связка при тепловом ударе определяется вероятностью разрушения зерна, которая, в свою очередь, меньше вероятности разрушения зерна при динамическом ударе;

· стойкость системы зерно - связка определяется ее долговечностью в условиях динамической нагрузки, причем наиболее слабым звеном системы является связка.

Определение стойкости системы зерно - связка и изучение состояния режущей поверхности круга позволили получить расчетные формулы и методику инженерного вычисления размерной стойкости и износа круга. Не вдаваясь в подробности их определения, можно отметить, что стойкость и износ круга зависят от прочности обрабатываемого материала, размера шлифовального круга, соотношения скоростей заготовки и круга, отношения глубины шлифования к радиусу круга, зернистости и коэффициента температуропроводности круга, плотности зерен в рабочем слое круга, а также показателей однородности абразивного материала круга и интенсивности накопления им усталостных повреждений.

При глубинном шлифовании сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля необходимо использовать электрокорунд белый 24А, 25А. Применение монокорунда 44А не дает ожидаемого эффекта, поскольку при увеличении стоимости абразивного инструмента его режущие свойства полностью не используются, так как для обеспечения режима самозатачивания круга разрушение связки происходит быстрее, чем затупление зерен.

Зернистость круга определяется требованиями к точности обработки и условиям бездефектного шлифования. С уменьшением зернистости улучшаются условия микрорезания, уменьшаются силы резания единичным зерном, увеличивается стойкость системы зерно - связка. С другой стороны, увеличивается число одновременно работающих зерен, благодаря чему растет средняя температура резания, и возрастает вероятность появления прижога, то есть уменьшается стойкость круга.

Аналогичная картина наблюдается с увеличением твердости круга. С одной стороны, увеличение твердости вызывает увеличение прочности системы зерно - связка, уменьшение размерного износа круга. Одновременно это способствует меньшей самозатачиваемости круга, то есть уменьшению его стойкости вследствие появления дефекта на обрабатываемой поверхности детали.

Таким образом, при назначении зернистости и твердости инструмента исходят из его размерной и бездефектной стойкости. При этом период стойкости круга, ограниченный моментом появления прижога, должен быть не менее периода его размерной стойкости. Этим условиям при глубинном шлифовании заготовок из жаропрочных сплавов с малыми допусками лучше всего отвечают круги зернистостью 8...12 и твердостью ВМ1, ВМ2, Ml.

Структура круга определяется содержанием зерна, связки и пор. Она должна быть такой, чтобы достигалось размещение в порах круга стружки, снимаемой за один цикл резания, без его засаливания. Кроме этого, должно обеспечиваться хорошее вымывание стружки из пор и перенос порами части жидкости в зону контакта круга с заготовкой. Этими свойствами обладают только круги открытой структуры, поэтому круг для глубинного шлифования должен иметь 9... 12 структуру.

Высокая пористость кругов в достигается путем применения различных порообразующих веществ, выгораемых или выплавляемых в процессе изготовления кругов. В соответствии с технологией, разработанной ВНИИМАШ в качестве порообразующих наполнителей применяют перлит (П), полистирол синтетический (ПСС), нефтяной кокс (НК) и др. Круги твердостью ВМ1, ВМ2, Ml обеспечивают 45...50% содержание пор по объему круга, что способствует хорошему переносу жидкости, размещению и вымыванию стружки.

Условия глубинного шлифования требуют от круга высокой теплостойкости, жесткости, химической стойкости и водостойкости. Все эти свойства придают кругу только керамические связки. Чаще всего применяют связки КЗ и К5, но наряду с ними можно применять боросодержащие, огнеупорные, химические и водостойкие связки, легированные оксидами лития, бария, меди и др. Например, связка К11 характеризуется более прочной связью с зерном, чем связки КЗ и К5. В этом случае повышается стойкость системы зерно - связка, что уменьшает износ круга.

Основным разработчиком и поставщиком высокопористых абразивных кругов является ВНИИМАШ и АО "Абразивный завод Ильич" (г. Санкт-Петербург). Научно-производственная фирма "Экси" (г. Курган) также разработала и освоила по экологически чистой технологии высокопористые круги с использованием модифицированной керамической связки К13 и специальных наполнителей. Испытания кругов 24А12НВМ112К13 и 24А12НВМ212К13 этой фирмы показали что они по всем параметрам не уступают серийным, а по некоторым параметрам превосходят их. Эти круги можно применять для всех видов глубинного шлифования.

Глубинное шлифование в современном понимании стало возможным благодаря разработке специальной техники правки абразивных кругов и созданию алмазного правящего инструмента Широкое применение нашли алмазные правящие ролики. Из основных схем правки методом радиального и тангенциального врезания наиболее распространена правка радиальным врезанием при параллельных осях ролика и круга. Профиль алмазных роликов в этом случае такой же, как у детали.

Правку (рис. 1.4, а) производят путем шлифования круга алмазным роликом при попутном вращении и соотношении скоростей ролика и круга, равным 0,6...0,8. Интенсивность правки t_п оценивается в мкм на оборот круга и принимается при черновой правке t_п -0,8...1,0 мкм/об, а при чистовой t_п =0,3...0,6 мкм/об.

Правка осуществляется до снятия заданного припуска. Величина t зависит от твердости и зернистости круга. Для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml 9... 12 структуры и зернистостью 10, 25,40 оптимальное значение t соответственно составляет 0,05...0,08, 0,08...0,12, 0,25...0,3 мм. Меньшие значения соответствуют более твердым кругам (Ml), а большие - мягким кругам (ВМ1). При правке второго круга направление вращения ролика реверсируется.

При правке с тангенциальным врезанием ролика (рис. 1.4, б) абразивный круг сразу подается на величину t и проходит под правящим устройством со скоростью Vc. Правящий ролик вращается только в одну сторону, а один из кругов реверсируется для обеспечения попутной правки. Интенсивность правки определяется по формуле:

 

где все обозначения взяты из рис. 1.4, б и должны иметь одну размерность.

Скорость движения стола Vc, из этой формулы определяют по заданной интенсивности правки.

Тангенциальная правка обеспечивает более плавное врезание алмазного ролика и является предпочтительной при однокруговой обработке.

Ряд поверхностей с точки зрения качества можно обработать только с непрерывной правкой, при которой профилирование круга происходит в течение всего процесса шлифования, то есть круг и ролик во время всего цикла обработки находятся в постоянном контакте (рис. 1.5)

Компенсация износа круга при этом также осуществляется непрерывно, поэтому, если алмазный ролик имеет подачу врезания S_пp, то она компенсируется подачей всей шлифовальной бабки на величину врезания и правки, то есть S_вp+ S_пp.

Благодаря непрерывной правке шлифование осуществляется при неизменном состоянии режущей поверхности круга. Несмотря на то, что расход абразивного круга увеличивается по сравнению с дискретной правкой в 1,5...2 раза, производительность повышается в 5 … 7 раз по сравнению с обычным глубинным шлифованием, снижаются температуры и силы резания.

Для достижения требуемой точности и качества обработки важен как выбор смазочно-охлаждающей жидкости, так и ее эффективное использование. Выбор СОЖ определяет характер температурно-деформационных явлений в зоне обработки, интенсивность протекания адгезионных и диффузионных процессов в зоне контакта круга с заготовкой.

Наибольшее применение при глубинном шлифовании нашел 1,5..2%-ный водный раствор эмульсола Аквол-2. Он содержит противозадирные хлорные и серные присадки, синтетическая смесь которых обеспечивает снижение интенсивности адгезионных и диффузионных явлений, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов. Большой процент воды обеспечивает высокую эффективность отвода теплоты.

Перспективной является синтетическая СОЖ, представляющая собой 2...3%-ный раствор концентрата Аквол-10М, который содержит анионоактивные и неионогенные эмульгаторы и жировые присадки. Применение этой СОЖ дает снижение шероховатости на 15...20% и сил резания на 10% по сравнению с СОЖ на основе Аквол-2.

Эффективное использование СОЖ обеспечивается системой ее подачи и очистки. СОЖ подается в зону обработки под давлением 0,5.. 0,6МПа с расходом 80...200 л в минуту на один круг. Положение охлаждающего и дополнительного очистного сопла относительно обрабатываемой заготовки автоматически сохраняется по мере изнашивания круга Бак для СОЖ вмещает не менее 1500...3000л и снабжен холодильным устройством для стабилизации температуры на уровне 20..30'С. Очистное устройство надежно задерживает любые частицы размером более 5.. 15 мкм.

В ряде случаев подача СОЖ интенсифицируется за счет дополнительной подачи ее на торцы круга с наложением ультразвуковых колебаний. При этом она попадает в поры круга и под действием центробежных сил проникает на периферию, очищая режущую поверхность и дополнительно охлаждая зону контакта круга с заготовкой.

Глубинное шлифование имеет такие особенности, обусловленные кинематикой и термодинамикой процесса, которые накладывают специфические требования к конструкции станков для глубинного шлифования. Опыт эксплуатации зарубежных станков, модернизация под условия глубинного шлифования ряда отечественных станков и создание собственного оборудования позволили ОАО "Рыбинские моторы" совместно с НИИД (г. Москва) разработать технические задания на разработку гаммы отечественных станков, обеспечивающих потребности отечественного авиационного двигателестроения.

Первыми были модернизированы плоскошлифовальные станки моделей ЗБ722 и ЗД722 производства Липецкого станкоинструментального завода. На них успешно внедрены в производство операции глубинного шлифования, контактных площадок турбинных лопаток с использованием прогрессивной схемы обработки сдвоенными кругами (рис. 1.6, ) со стороны "спинки" и "корыта" одновременно.

В условиях ограниченных производственных мощностей на этих станках одно время обрабатывались и елочные замки турбинных лопаток газоперекачивающих агрегатов. Были также модернизированы для глубинного шлифования елочных замков морально устаревшие станки фирмы "Матрикс" (Англия). На них была внедрена непрерывная правка кругов алмазными роликами с автоматической компенсацией размера, увеличена мощность главных приводов, переоборудована система подачи СОЖ.

Опыт модернизации станков дал возможность глубже исследовать ряд технических решений и заложить более обоснованные требования к ним во вновь разрабатываемых станках.

При создании промышленных моделей станков для глубинного шлифования на Липецком станкостроительном заводе большинство требований было выполнено.

Первым был создан одношпиндельный станок модели ЛШ-220 (рис. 1.7), который представляет собой полуавтомат с прямоугольным столом, горизонтальным шпинделем и четырехкоординатным устройством ЧПУ. Компоновка станка в сочетании с конструкцией

шпинделя на подшипниках качения обеспечивает высокую жесткость шлифовальной бабки. Применение в направляющих стола и салазок фторопластовой ленты, а также винтовых пар качения в механизмах вертикального и поперечного движения подач шлифовальной бабки и перемещения стола позволили достичь плавности рабочих перемещений и высокой точности изготовления деталей .Станок нашел широкое применение на заводах отрасли. Данный станок используется в технологическом процессе производства лопатки турбины ТНА.

Недостатком станка явилось не совсем удачное конструктивное решение правящего устройства и организации рабочей зоны, ограничивающей автоматизацию цикла обработки.

Станок ЛШ-233 представляет собой полуавтомат с ЧПУ для двухстороннего глубинного шлифования. Он предназначен для одновременного шлифования симметричных или несимметричных поверхностей заготовок различных деталей. Станок имеет непрерывную правку кругов непосредственно в процессе обработки, которая используется на черновых проходах. Перед чистовым рабочим ходом оба круга

Рис 1.7 Станок ЛШ-220: 1 - станина; 2 - стол; 3 - колонна; 4 - шлифовальная головка; 5 - система подачи и очистки СОЖ; 6 - пульт управления калибруются одним роликом, что гарантирует симметричность расположения профилей и высокую точность обработки.

Станок ЛШ-233 отвечает основным требованиям высокопроизводительного глубинного шлифования.

Некоторым конструктивным недостатком этих станков является весовая несбалансированность консольно расположенных электродвигателей привода шлифовальных кругов.

Существенным шагом в дальнейшем усовершенствовании одношпиндельных плоскошлифовальных станков является создание станка модели ЛШ-236.

Станок значительно превосходит своих предшественников по технологическим возможностям. Он обладает повышенной жесткостью, быстроходностью на холостых ходах, имеет большую по высоте зону обработки.

Наличие круглого рабочего тактового стола позволяет производить предустановку деталей во время рабочего цикла, что повышает производительность и дает возможность полностью автоматизировать цикл обработки.

Для расширения области применения методов профильного шлифования с непрерывной правкой кругов при обработке поверхностей сопловых лопаток турбин предназначен карусельно-шлифовальный станок ЛШ-278.

Станок может работать в широком диапазоне режимов, в том числе и в режиме глубинного шлифования, имеет дополнительный высокоскоростной шпиндель для формирования канавок и резцедержатель для их подправки резцом в режиме точения.

1.6 Алмазные ролики для правки

Алмазные ролики являются профильным инструментом для правки шлифовальных кругов. Они применяются во всех операциях глубинного шлифования в техпроцессе производства турбинной лопатки. На листе № 4 графической части приведены чертежи роликов для операций 25 , 50 и 70. Данные ролики изготовлены немецкой фирмой "Wendt". Отличие алмазных роликов этой фирмы от отечественных аналогов в том, что стойкость составляет от 50000 до 180000 условных правок, когда этот показатель для отечественных роликов составляет 10 000-40 000 правок.

Разработка алмазных правящих роликов соответствовала требованию максимального сокращения времени на восстановление профиля шлифовального инструмента. И по возможности настолько, чтобы восстановление профиля было возможно при проведении других обязательных операций, требующих вспомогательного времени, например, смена заготовок. И вместо того, чтобы с помощью отдельного алмаза

по копиру проходить весь профиль, было найдено решение, в соответствии с которым инструменту для правки придавалась форма всего профиля и при непродолжительном врезании в шлифовальный круг восстанавливался его профиль. Чтобы получить скорость правки, необходимую для восстановления профиля, без значительного сокращения числа оборотов шлифовального шпинделя, оказалось, что необходимо приводить и сам ролик для правки. Благодаря этому скорость правки стало возможным регулировать как относительную скорость между окружной скоростью шлифовального инструмента и правильного ролика.

Более простым и дешевым вариантом ролика для правки является блок для правки. Он жестко монтируется, и для восстановления профиля над ним проходит шлифовальный инструмент (например, на плоскошлифовальных станках). Для этого необходимо сократить число оборотов шлифовального шпинделя. Блоки для правки применяются прежде всего там, где существующая серийность не позволяет сделать экономичным изготовление дорогих роликов для правки. Ниже речь о блоках для правки будет идти только в том случае, где отличия в технологии по сравнению с роликом для правки окажутся достаточно важными. А в остальном, все сказанное имеет место и для того и для другого инструмента.

 

1.6.1 Виды изготовления алмазных роликов

Алмазные ролики и блоки для правки изготавливаются по-разному. Были разработаны различные виды исполнения, чтобы по возможности экономично выполнить различные поставленные задачи. И поэтому ролики в зависимости от вида профиля, припуска и стойкости изготовляются в следующих исполнениях:

а)MZ гальванические, изготовленные обратным методом, алмазное зерно рассеянное. Данным методом изготавливаются ролики для производства турбинной лопатки. В то время как у обычного гальванического алмазного инструмента нанесение покрытия на исходную форму осуществляется по внешнему контуру, то для алмазных роликов для правки выбирается противоположный путь. Изготовляется форма, внутренний контур которой покрывается гальваническим слоем. Последний позднее образует внешний контур инструмента для правки. Благодаря этому методу обработки уменьшается влияние различий гальванического роста на точность изображения и поэтому в основном предварительная корректировка не нужна. Это исполнение позволяет выдерживать самые жесткие допуски. Можно изготавливать и узкие профили с небольшими радиусами. Вследствие минимальной зернистости используемых алмазов обеспечивается очень плотное распределение, а поэтому и повышенная стойкость инструмента.

При изготовлении профиль помещается в графитовое тело, внутренний контур которого тщательно посыпается алмазами (Z), которые равномерно прижимаются к контуру и удерживаются с помощью вспомогательного покрытия. Путем следующих друг за другом нескольких гальванических покрытий и образуется связка и осаждение изнутри. Затем профиль со стержнем заливаются. Форма удаляется, и алмазный ролик подвергается окончательной обработке.

б)NS гальванические, изготовленные обратным методом, алмазы установленные. И это исполнение позволяет работать с очень жесткими допусками. Но так как отдельные алмазы устанавливаются вручную, а для этого нужны крупные алмазы, поэтому это исполнение не годится для прецизионных профилей. За исключением нанесения алмазов изготовление не отличается от исполнения NZ.

в)NM гальванические, изготовленные обратным методом, алмазы частично установленные вручную, частично рассеянные. В данном случае используются оба метода нанесения алмазов. Т.е. установка отдельных групп алмазов на важных участках, а в промежутках - рассеивание. Благодаря этому соединению (М) двух методов достигается максимальная стойкость при высокой точности, особенно при работе со сложными профилями. И в этом случае изготовление, за исключением установки алмазов, соответствует исполнению NZ.

г)РМ гальванические, изготовленные позитивным методом. Это исполнение годится только для грубых допусков, т.к. зернистость алмаза влияет на точность и равномерность профиля. К тому же, следует учитывать и более высокие эффективные высоты неровностей и волнистость. Но если позволяют допуски, то это исполнение очень экономично вследствие невысоких затрат на изготовление. Для изготовления на тело ролика из стали наносится снаружи позитивный профиль (с учетом зернистости алмаза). Алмазы тщательно наносятся гальваническим методом. После гальванического нанесения покрытия можно для обеспечения предельных допусков дополнительно обработать алмазный слой.

д) порошковая инфильтрация, обратный метод, алмазы установленные. Это исполнение позволяет выдерживать жесткие допуски. Благодаря нацеленной установке (S) алмазов и жесткой инфильтрационной (I) связке достигается очень хорошая стойкость. Но, как и для исполнения из-за установки алмазов ролики для правки, изготовленные по этому методу, не годятся для узких профилей с маленькими радиусами. Для изготовления профиль помещается в форму из графита. При этом необходимо учитывать линейную усадку (предварительная коррекция формы). Внутренний контур заполняется алмазом, который удерживается вспомогательным покрытием. В форме с сердечником внутренняя полость тола за профилем заполняется металлическим порошком. Форма покрывается инфильтрационным материалом. В инфильтрационной печи при высокой температуре этот материал проникает в металлический порошок и связывает алмазный слой. Если только при термообработке возникает коробление, выходящее за пределы допусков, то требуется дополнительная обработка алмазного слоя.

е) SM металлокерамическая связка, перемешанная с алмазом Это исполнение может использоваться только для простых профилей. И ролики используются таким образом, что они или долго сохраняют свою первоначальную форму (напр., в случае простых цилиндрических форм) или время от времени они дополнительно обрабатываются, чтобы добиться высокой суммарной стойкости. В отличие от всех других исполнений, где имеется только один алмазный слой, в этом исполнении мелкие алмазные зерна перемешиваются (М) с металлокерамической связкой (Б) и в горячем виде прессуются или спекаются в форме. После охлаждения осуществляется тщательная окончательная обработка, чтобы освободить алмазные зерна и получить точную окончательную форму.

 

1.6.2 Допуски

При изготовлении алмазных роликов и блоков для правки в настоящее время могут выдерживаться очень жесткие допуски. Но так как допуски оказывают большое влияние на стоимость, то они никогда не должны превышать необходимый уровень. При определении допусков в принципе следует исходить из допуска готового изделия. Этот диапазон автоматически берется за основу при посылке чертежей изделия. Соблюдение более жестких допусков требует рассмотрения и обусловливает повышенную цену.

1.6.3 Конструкция

Алмазные ролики для правки могут представлять собой одно целое или быть составными. В случае длинных профилей, профилей с пробелами или в случае профилей с цилиндрическими участками различного диаметра предпочтительнее, а часто просто необходимо, составное исполнение.

1.6.4 Зернистость

Зернистость алмаза оказывает большое влияние на эффективную в высоту неровностей. Если выбрана слишком мелкая зернистость, то в этом случае необходим соответствующий выбор условий правки. Особенно это имеет место в том случае, если точность профиля (напр., профиль резьбы) заставляет использовать мелкую зернистость. При использовании нескольких зернистостей приводится только основная зернистость связки.

 

1.6.5 Сорт алмаза - D 711 А

Вид алмазов должен согласовываться со связкой алмазного ролика для правки как и с кругом, который правится. Вследствие огромного значения этого правильного соответствия нельзя принципиально говорить о хороших или плохих сортах алмазов, а речь должна идти о сортах, которые лучше или хуже пригодны. Отличительные буквы в соответствии с этим приданы различным сортам алмазов, применяемым для роликов, но без качественного определения.

 

1.6.6 Содержание алмазов

Величина, форм профиля и необходимая эффективная высота неровностей определяют при расчете алмазного ролика для правки в основном выбор зернистости и плотности распределения. Т.е. соответствующее содержание алмазов для изготовления роликов определяется почти принудительно.

1.6.7 Первичное изготовление и расчет нового алмазного ролика для правки

Для изготовления требуются следующие данные:

·   Чертеж требуемого алмазного ролика для правки или чертеж изделия с точным обозначением шлифуемых поверхностей, всех размеров и допусков и чистоты поверхности.

·   Точное обозначение и изготовитель обрабатываемого шлифовального круга.

-Окружная скорость шлифовального круга, при необходимости, число оборотов и диапазон использования шлифовального круга.

-Предусмотренное приспособление для правки с диаметром оправки, числом оборотов привода или диапазоном и мощностью.

-При расположении ролика для правки, шлифовального круга и изделия с непараллельными осями в любом случае нужен компоновочный чертеж или чертеж профиля ролика для правки

Если после длительного использования алмазных роликов для правки точность профиля отшлифованного изделия или качество поверхности не соответствует требованиям, то возможна дополнительная обработка алмазного слоя, если только вид профиля позволяет это, т.е. если можно получить первоначальные размеры

1.6.8 Эксплуатация

а)Шлифовального станка.

Использование алмазных роликов для правки предъявляет зачастую требования к шлифовальному станку намного выше, чем они были при работе с простым инструментом для правки. Т.к. весь контур правится сразу, то эффективные поверхности большие. Возникающие силы нельзя сравнивать с теми, которые наблюдаются при правке с помощью однозернового инструмента или пластинок для правки. Жесткости станка должно хватать, чтобы воспринимать высокие нагрузки без сокращения стойкости или точности алмазного ролика для правки. Учитывать нужно, конечно, и установку приспособления для правки и его конструкцию.

б)Приспособления для правки

Для обеспечения жесткости и точности диаметр оправки для алмазного ролика должен быть по возможности большим. Рекомендуется для выполнения точных и сложных задач диаметр оправки не менее 63 мм. При универсальном использовании прибора рекомендуется исполнение с регулируемым приводом постоянного тока. Для одноцелевых задач часто может достаточно экономично использоваться привод с постоянным числом оборотов.

Точность по радиальному биению оправки должна составлять 0,002 мм или быть лучше, зазор на посадку к ролику должен составлять 0,003 - 0,005 мм. Это предполагает допуск h_з и безукоризненное состоянние, а в предельных случаях, несмотря на допуск h_з, и согласование (настройку) по отношению к ролику.

Мощность должна быть достаточной, чтобы с гарантией избегать колебаний числа оборотов при правке. При оценке или новом расчете рекомендуется исходить из 5 Вт/мм ширины правки.

в) СОЖ

При правке с помощью алмазных роликов хорошая СОЖ играет ту же самую роль, как и при шлифовании. Количество СОЖ при правке должно поэтому оставаться таким же, как и при шлифовании.

Так как правка обычно осуществляется в другой точке периферии шлифовального круга по сравнению со шлифованием, поэтому необходим предельный подвод СОЖ. При расчете СОЖ необходимо прежде всего следить за тем, чтобы СОЖ подавалась в направления относительной скорости. Т.е. при правке с однонаправленным движением шлифовального круга и ролика для правки - между ними. При правке со встречным вращением - в направлении более высокой окружной скорости между роликом и кругом. В случае глубоких профилей используется сопло.

1.6.9 Расположение осей

а)Параллельные оси (рис 1.8, а)

Это расположение, при котором все три оси располагаются параллельно, используется чаще всего. Его легче всего реализовать на шлифовальных станках, и. кроме того, его преимущество заключается в неискаженной, а потому простой геометрии. Но, с другой стороны, это расположение имеет и недостатки, если профиль, как это показано на рисунке, сильно расчленен, и вследствие этого длины контакта алмазов для правки; становятся слишком большими. В этих местах эффективная высота неровностей шлифовального круга сильно сокращается. При шлифовании это может привести к появлению прижогов. Кроме этого, время правки в отдельных случаях может значительно увеличиться. В таких случаях рекомендуется наклонное расположение осей.

б) Ось круга с наклоном к оси изделия (рис 1.8, б)

Это расположение уменьшает различия в эффективной высоте неровностей и сокращает время на правку. Но недостатком его является искажение профиля ролика для правки.

в) Все оси с наклоном по отношению друг к другу (рис 1.8, б)

Самым предпочтительным в таких случаях является расположение, при котором все оси наклонены по отношению друг к другу под одним углом. Оно помогает избежать искажения профиля на алмазных роликах для правки. Но, как видно уже на чертеже, реальные формы сильно сокращают зазоры, которые могли бы использоваться для улучшения рабочих условий путем вариаций расположения. Так, например, симметричные уступы с крутыми углами исключают наклон осей по отношению друг к другу.

1.6.10 Режимы обработки

Целенаправленный выбор режимов предлагает широкие возможности воздействия на результаты при правке с помощью алмазных роликов, в особенности, что касается эффективной высоты неровностей.

а)Относительная окружная скорость. Самым главным средством влияния на эффективную высоту неровностей является изменение относительной окружной скорости шлифовального круга и алмазного ролика для правки.

При рассмотрении сначала следует провести границу между попутной и встречной правками. Принципиальное изображение влияния относительной окружной скорости при попутной и встречной правками (14) показывает следующую взаимосвязь:

·   При встречной правке (рис. 1.9, б) наблюдается меньшая эффективная высота неровностей. Поэтому ее следует предпочитать при правке мелкозернистых шлифовальных кругов с простыми профилями, где не появляются прижоги.

·   Попутная правка ( рис. 1.9, а ) позволяет получить большую эффективную высоту неровностей. Поэтому ей следует отдавать предпочтение при правке черновых шлифовальных кругов с высокой производительностью шлифования, правда такая правка может использоваться и для тонкого шлифования в случае критических профилей со склонностью к появлению прижогов. Преимуществом попутной правки является и то, что при ней путем изменения относительной окружной скорости можно в большем диапазоне влиять на эффективную высоту неровностей, чем при встречной правке. Данная схема применяется в технологическом процессе производства турбинной лопатки.

б)Выхаживание

Как при попутной, так и встречной правке с увеличением времени выхаживания или повышением числа оборотов выхаживания n, понижается эффективная высота неровностей.

При появлении прижогов время выхаживания должно быть минимальным. Если поверхность изделия слишком грубая, то время выхаживания увеличивается. Абсолютная продолжительность оптимального времени выхаживания в большой степени зависит от жесткости станка. Жесткие конструкции значительно сокращают эптимальное время выхаживания.

в)Скорость подачи

Чем выше скорость подачи, тем больше эффективная высота неровностей. Для попутной правки это даже характернее, чем для встречной. Рекомендуемые скорости подачи находятся в диапазоне 0,25- 0,5 и/оборот шлифовального круга. При длительном времени выхаживания влияние выхаживания почти полностью вводит на нет влияние скорости подачи. Поэтому скорость подачи следует изменять только гогда, т.е. повышать, когда необходимо увеличение эффективной высоты неровностей. Изменение скорости подачи не может использоваться для уменьшения эффективной высоты неровностей.

г)Глубина подачи

Глубина подачи должна выбираться такой, какая необходима для восстановления профиля круга и обеспечения оптимального режима шлифования. Как правило, она не должна превышать 0,01 - 0,05 мм.

д) Стойкость

В зависимости от вида, параметров и эксплуатации стойкость роликов для правки изменяется в таком широком диапазоне, что об указаниях по стойкости можно говорить лишь приблизительно. Для приблизительных оценок можно взять за основу, что при шлифовании изделий с профилем нормальной сложности, средним допуском и качеством поверхности алмазным роликом можно провести 50000 - 200000 правок. Но при правке деталей со сложными профилями, жесткими допусками и повышенным требованиями к качеству поверхности можно провести 10000 - 50000 правок. Полное использование стойкости предполагает выполнение следующих указаний:

-Своевременная, нацеленная и достаточная подача СОЖ для правки.

·   Оптимизация отношения между частотой правки и глубиной подачи.

·   Отказ от длительного выхаживания благодаря правильному выбору относительной скорости шлифовального круга и ролика для правки, в случае если нужна небольшая эффективная высота неровностей.

·   Жесткость и точность станка и приспособления для правки, достаточный резерв мощности приспособления для правки, отличное состояние шлифовального шпинделя и оправки для алмазного ролика.

1.7 Выбор баз и обоснование последовательности обработки детали

Первыми операциями механической обработки лопатки турбины ТНА являются операции глубинного шлифования промежуточных технологических баз на отливке: полки со стороны спинки и полки со стороны корыта. Эскизы данных обработок приведены на листе № 2 графической части. Конструкторскими базами для операции №12 являются: 2 точки на хвостовике со стороны спинки, полка со стороны корыта, точка на корыте пера, точка на входной кромке пера. Для операции № 15 базами являются: 2 точки на хвостовике со стороны корыта, 2 точки на обработанной в предыдущей операции полке со стороны спинки, точка на полке и на точка на спинке пера. Основной технологической базой для обработки лопатки является обработанный в операции № 25 профиль хвостовика лопатки. Промежуточными базами для данной операции служат: полка пера со стороны спинки, входная кромка, точка на полке, точка на спинке. Во всех последующих операциях механической обработки в качестве основной базы используется обработанный в этой операции хвостовик.

1.8 Расчет припуска на механическую обработку в операции №12

Минимальный припуск при обработке плоской поверхности рассчитывается по формуле:

 

- высота неровностей профиля на предшествующем переходе  - глубина дефектного поверхностного слоя на предшествующем переходе

- суммарные отклонения расположения поверхности на предшествующем переходе

- погрешность установки заготовки на выполняемом переходе

Расчет производится для операции № 12 глубинного шлифования для плоской поверхности длиной 68 мм и размером 16.4 мм. Обработка осуществляется в два перехода. Отклонения поверхностей полки со стороны спинки и корыта:

 

-отклонения от параллельности, мкм / 1 мм обрабатываемой поверхности; l- длина обрабатываемой поверхности.

Для заготовки:

Для первого прохода:

Исходные данные для расчета и результаты приведем в таблице 6:

Таблица 6

Операция	Элементы припуска, мкм				Расчетны й припуск	Допуск на изготовле ние Т, мкм	Округленные размеры, мм		Предельные припуски
		h	А				dmax	dmin	Zmax	Zmin
Литье	-	-	-	-	-	550	18.45	17.9	-	-
1-й проход	325	0	680	50	1055	250	16.85	16.5
2-й проход	15	20	20	50	110	100	16.5	16.4

 

.9 Режимы резания

Режимы резания для операций глубинного шлифования сведены в таблицы 7 и 8

Таблица 7

№ Операции	№ Прохода	Скорость круга Vk, м/с	Скорость детали Уд, м/с	Глубина резания t, мм	Подача шпинделя Sp, мкм/100 оборотов круга	Частота вращения шпинделя п, об/мин
012	1	25	80	1.4	20	2880
	2	27	200	0.1	10	2880
015	1	25	80	1.4	20	2880
	2	27	200	0.1	10	2880
020		25	50	2	30	2880
025	1	25	40	3.45	30	2880
	2	25	50	1.0	30	2880
	3	27	150	0.05
030	1	25	40	3.45	30	2880
	2	25	50	1.0	30	2880
	3	27	150	0.05
050	1	25	50	4.5	30	2880
	2	25	50	1.4	30	2880
	3	27	200	0.1	10	2880
070	1	25	50	4.5	30	2880
	2	25	50	1.4	30	2880
	3	27	200	0.1	10	2880
075	1	25	50	1.5	30	2880
	2	27	200	0.1	10	2880
080		25	100	0.3	2880
090	1	25	50	2.4	30	2880
	2	27	200	0.1	5	2880

Таблица 8

№ Операции	№ Прохода	Скорость круга Vk, м/с	Скорость детали Уд, м/с	Длина обработки L, мм	Подача шпинделя Sp, мкм/100 оборотов круга	Подача круга Sk, мм/мин	Частота вращения шпинделя п, об/мин
45	1	25	100	10	30	30	2880
	2	25	100	10	10	30	2880
85	1	25	70	10	30	20	2880
	2	25	70	10	10	20	2880

Примечание: правка круга на всех проходах - непрерывная, движение стола - попутное.

1.10 Нормирование

Расчет проводился по рекомендациям справочника. Штучное время:

 

Где: - основное машинное время, мин.

 - вспомогательное время, мин.

 - время на обслуживание (техническое и организационное), мин.

 - время на отдых, мин.

 - время на личные надобности, мин.

Также можно определить по формуле:

 

где а - время обслуживания рабочего места в % к оперативному времени, т.е.

 

b - время перерывов на отдых и личные надобности в % к оперативному времени, т.е.

Расчет по нормированию осуществляется на операциях глубинного шлифования. Данные были взяты по рекомендациям справочника [11]. Для операций глубинного шлифования:

 

Отсюда:

 

 

В результате получаем общую формулу для расчета штучного времени:

 

Т_всп включает в себя время для задания данных на устройстве ЧПУ станка оператором; оно для каждого прохода одинаково и составляет 0.27 мин .

Т_щт для всех операций, кроме операций №№ 45 и 85 рассчитывается по формуле:

 

 - вертикальная подача круга, мкм/100 оборотов круга

t - глубина резания

n - частота оборотов шпинделя, для всех проходов она составляет 2880 об/мин. Тогда формула преобразуется:

 

Сведем расчет штучного времени для всех операций , кроме №№ 45 и 85 в таблицу

Таблица 9

№ Операции	№ Прохода	Глубина резания t, мм	Подача шпинделя Sp, мкм/100 оборотов круга	То	Твсп	Тшт
012	1	1.4	20	2.016	0.27	2.286
	2	0.1	10	0.288	0.27	0,558
015	1	1.4	20	2.016	0.27	2.286
	2	0.1	10	0.288	0.27	0,558
020		2	30	1.92	0.27	2,19
025	1	3.45	30	3,312	0.27	3,582
	2	1.0	30	0,96	0.27	1,23
	3	0.05	30	0,048	0.27	0,318
030	1	3.45	30	3,312	0.27	3,582
	2	1.0	30	0,96	0.27	1.23
	3	0.05	30	0,048	0.27	0,318
050	1	4.5	30	4,32	0.27	4,59
	2	1.4	30	1,344	0.27	1,614
	3	0.1	10	0.288	0.27	0,558
070	1	4.5	30	4,32	0.27	4,59
	2	1.4	30	1,344	0.27	1,614
	5	0.1	10	0.288	0.27	0,558
075	1	1.5	30	1,44	0.27	1,71
	2	0.1	10	0.288	0.27	0,558
	2	0.1	5	0,576	0.27	0,846
				36	5.94	41.94

Для операций № 45 и85 расчет То ведется по следующей формуле:

 

Где:

L - длина обрабатываемой поверхности;

 - подача круга вдоль обрабатываемой поверхности. Расчет и его результаты сведем в таблицу 10

Таблица 10

№ Операции	№ Прохода	Длина обработки L, мм	Подача круга Sk, мм/мин	То	Твсп	Тшт
45	1	10	30	0.333	0.27	30
	2	10	30	0.333	0.27	10
85	1	10	20	0.5	0.27	30
	2	10	20	0.5	0.27	10
Итого				1.666	1.08	2.75

Общее штучное время для операций глубинного шлифования составляет: ТШТ = 2.75 + 41.94 = 44,69 мин.

Глава 2. Конструкторская часть

 

2.1 Описание приспособления

Приспособление для глубинного шлифования 330/А-108 "щучья пасть" (лист № 5) используется для обработки торца хвостовика со стороны выходной кромки (операция № 050),торца хвостовика со стороны входной кромки (операция № 070),полки пера со стороны корыта (операция № 080), образования выреза на полке пера со стороны входной кромки (операция № 090). Базой для обработки является профиль хвостовика лопатки.

В отверстие М10 в подушке 1 вкручивается шпилька 4. На шпильку одевается пружина 5. Затем на подушку устанавливается прижим 2, так что шпилька входит в отверстие 0 15. Затем прижим и подушка соединяются болтом 6 и двумя штифтами 10. После детали 1 и 2 стягиваются скобой 7 с натягом +0.005/+0.008. Скоба прикрепляется к деталям 1 и 2 четырьмя болтами 9. На шпильку 4 накручивается шайба 8 и рукоятка 3. Спецификация приспособления приведена в таблице 2.1.

№	Наименование	Кол- во	Материал	Нормаль
1	Подушка	1	Сталь ХГ
2	Прижим	1	Сталь ХГ
3	Рукоятка	1	7061-0012
4	Шпилька	1	M10*6h*55.58.05
5	Пружина	1		ГОСТ 13771-86 IN 252 -Н0 40
6	Болт	1	M6*35-5h.56.05	ГОСТ 7805-78
7	Скоба	1	Сталь 45
8	Шайба	1	10.05.05	ГОСТ 11371-78
9	Болт	4	M6*16-6h.56.05	ГОСТ 7805-70
10	Штифт	2	6n6*35	ГОСТ 3128-70

 

2.2 Расчет приспособления на силу зажима

Расчет зажимного устройства производится, исходя из величины и направления действия силы зажима заготовки и имеет своей целью определение мощности и размеров силового привода или величины усилия рабочего при ручном зажиме.

Сила винтового зажима определяется по формуле:

 

 - средний радиус резьбы;

 - угол подъема витка резьбы (у стандартных метрических резьб этот угол равен 2°30’ );

 - угол трения в резьбовом соединении (для метрических резьбы = 6°34’);

- коэффициент, зависящий от формы и размеров поверхности соприкосновения зажимного элемента с зажимной поверхностью; для винта с плоским опорным торцом.

 , где:

- коэффициент трения на торце винта или гайки, = 0.15;

 - радиус опорного торца винта ();

Для винтового зажима с достаточной степенью точности можно принять - крутящий момент, рассчитываемый по формуле

 - длина рукоятки, равная 14 диаметрам резьбы;

- сила, прикладываемая рабочим к рукоятке ().

 

 

 

Глава 3. Исследовательская часть

Применение в качестве материала лопатки ТНА литейного сплава ЦНК-7П привело к снижению усталостной прочности детали вследствие повышенной пористости материала. Изготовленные по новой технологии лопатки имели предел выносливости 180 МПа, что не удовлетворяло заказчика. В качестве процесса упрочнения был выбран метод гидродробеструйной обработки замка лопатки.

3.1 Основы процесса гидродробеструйного упрочнения

Гидродробеструйное упрочнение - это процесс холодной обработки, при котором поверхность детали бомбардируется маленькими сферическими дробинками в среде СОЖ. Каждая дробинка, ударяясь о поверхность, действует как молоток, образуя на поверхности маленькие углубления. При этом в поверхностных слоях материала происходит процесс пластического растяжения. Подповерхностные слои воздействуют на поверхностный слой таким образом, чтобы вернуть его к исходной форме, и образуют в нем сжимающие остаточные напряжения. Хорошо известно, что трещины плохо образуются и распространяются в сжатом материале. Так как усталостные повреждения в основном образуются и накапливаются в поверхностных слоях, следовательно, сжимающие напряжения, образующиеся в результате обработки дробью, приводят к значительному повышению долговечности детали. Кроме того, у многих материалов происходит наклеп поверхности вследствие холодной пластической деформации. Остаточными напряжениями называются напряжения, возникающие в ненагруженной детали после ее изготовления. Эти остаточные напряжения могут быть либо растягивающие, либо сжимающие. Типичная эпюра остаточных сжимающих напряжений по глубине детали показаны на рисунке 3.1.

Эпюра остаточных напряжений характеризуется четырьмя основными параметрами:

1) - поверхностные напряжения;

2)  - максимальные сжимающие напряжения, как правило, залегающие под поверхностью;

3) d - глубина залегания сжимающих напряжений;

4)  - максимальные растягивающие напряжения.

Максимальная величина сжимающих остаточных напряжений мало зависит параметров упрочнения и, в основном, определяется кривой деформирования материала -величиной предела текучести и модуля упрочнения. Максимальные сжимающие остаточные напряжения, как правило, составляют не меньше половины предела текучести материала.

Глубина поверхностного слоя, в котором залегают остаточные напряжения, существенно зависит от параметров упрочнения, таких как диаметр дроби, скорость дроби и т.д.

Из теории прочности известно, что наличие сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое повышает усталостную прочность детали.

Особое внимание следует обращать на применение гидродробеструйного упрочнения для деталей, подвергаемых последующему нагреву (при термической обработке, пайке, в эксплуатации и т.д.), так как такой нагрев может привести к релаксации благоприятных сжимающих остаточных напряжений или даже к растрескиванию поверхности вследствие разупрочнения наклепанного слоя. Предельные температуры, свыше которых происходит релаксация благоприятных сжимающих остаточных напряжений, показаны на рисунке 3.2.

Из диаграммы видно, что применение упрочнения возможно только для хвостовика лопатки турбины, так как перо лопатки, изготовленной из никелевого сплава ЦНК-7П, работает при температурах до 780С⁰, и его упрочнение не даст благоприятного эффекта вследствие релаксации сжимающих остаточных напряжений и может привести даже к разупрочнению.

Не существует неразрушающих методов контроля качества упрочнения деталей в результате обработки, поэтому важное значение имеет управление процессом упрочнения, чтобы обеспечить постоянное качество поверхности от детали к детали. Материал дроби, ее размер и твердость, так же как и скорость и угол удара должны жестко контролироваться в процессе гидродробеструйной обработки. Для того, чтобы эффективно управлять процессом упрочнения, особому контролю подвергаются следующие параметры.

а) Контроль дроби.

Дробь для упрочнения представляет собой небольшие тела сферической формы, изготавливаемые из проволоки литых углеродистых или нержавеющих сталей, керамики или стекла. Нержавеющие стали используются в том случае, когда важно содержание железа на поверхности детали. Данные материалы применяются и в процессе упрочнения лопатки турбины.

Дробь должна быть одного размера, как правило, сферической формы, без острых кромок и разрушенных частиц. Размер дроби контролируются просеиванием. На рисунках 3.3 и 3.4 показаны допустимые и недопустимые формы и размеры дроби.

На фотографии (рис. 3.3, а) показаны недопустимые частицы дроби разных размеров, включающие большое количество бесформенных частиц. Допустимая дробь (рис. 1.3, б) постоянна по размеру, округлая по форме и не содержит посторонних частиц и примесей. Разрушенные частицы или частицы с острыми концами опасны для поверхности детали. На рис 1.5 показано влияние слабого контроля дроби на качество упрочненной поверхности.

Рис 3.5 Поврежденная в результате слабого контроля дроби (а) и приемлемая (б) поверхности.

б) Контроль интенсивности упрочнения.

Калибровка энергии удара или интенсивности потока дроби во время обработки является очень важным для контроля упрочнения. Энергия потока дроби является функцией размеров, материала, твердости, скорости и угла атаки дроби. Для того, чтобы оценить, измерить и калибровать энергию удара дроби, Дж. О. Ольмен из исследовательской лаборатории компании "Дженерал Моторс" предложил использовать образец из инструментальной стали SAE1070, который назвали полосой Ольмена (контрольный образец). По описываемому методу контрольный образец закрепляется в стальном зажиме в камере обдувки и подвергается упрочнению. После удаления из блока контрольный образец сгибается под действием сжимающих остаточных напряжений и пластического деформирования поверхности. Высота прогиба, измеряемая в стандартном устройстве

Ольмена, называется стрелой прогиба (рис 1.5). Контрольный образец не применяется повторно.

В настоящее время используются три стандартные полосы Ольмена: полоса А толщиной 0.051 дюйма (1.29 мм)(используется при обработке лопатки), полоса С толщиной 0.094 дюйма (2.39 мм), полоса N толщиной 0.031 дюйма (0.79 мм). Примерное соотношение между толщинами полос 3N=A=0.3C. Используемый диапазон стрелы прогиба от 0.1 мм до 0.6 мм.

Рис 3.6 Применение контрольного образца (полосы Ольмена) в процессе гидродробеструйного упрочнения

в) Контроль насыщения. Полоса Ольмена не в полной мере характеризует процесс упрочнения, если не исследован процесс насыщения упрочнения, который характеризуется кривой (рис. 3.6). Кривая насыщения получается при упрочнении серии контрольных образцов с различным временем обработки. Насыщение достигается на той точке кривой, где двойное увеличение времени обработки приводит к увеличению стрелы прогиба не более чем на 10%.

г) Контроль покрываемости

Покрываемость определяется как степень (в %) полноты и равномерности следов ударов на обработанной поверхности детали. Покрываемость контролируется с помощью лупы 5... 10-кратного увеличения. Фотографии частичной и полной покрываемости показаны на рис 1.7.

Рис 3.8 Частичная (А) и полная (Б) покрываемость поверхности следами от ударов

% покрываемость достигается, когда обрабатываемая поверхность полностью покрыта следами ударов. Она обязательна, когда гидродробеструйная обработка применяется для увеличения сопротивления усталости лопаток.

3.2 Технология процесса гидродробеструйного упрочнения

Гидродробеструйному упрочнению замок лопатки турбиныподвергается после окончательной механической и термической обработки. Гидродробеструйное упрочнение позволяет:

A) ликвидировать в поверхностном слое возможные после механической обработки растягивающие остаточные напряжения, стабилизировать и создать сжимающие остаточные напряжения заданной велиины;

Б) повысить твердость поверхности;

B) повысить и стабилизировать усталостную прочность; Д) повысить контактную выносливость.

3.2.1 Устройство и работа установки для гидродробеструйного упрочнения

Схема установки для обдувки дробью приведена в графической части. Камера для обдувки представляет собой сварную конструкцию коробочного типа с верхней крышкой для загрузки и разгрузки лопаток и приспособлений для проведения технологического процесса упрочнения.

В камере смонтирован экран-отражатель для предотвращения утечек масла через разъем камеры с крышкой и попадания шариков в разъем уплотнителя.

В днище камеры установлена плита с рабочими соплами в количестве 15 штук в каждой камере, расположенных в 3 ряда по пять сопел под каждым приспособлением (кассетой) для крепления лопаток. Нижняя часть камеры имеет сетку по всему боковому периметру для слива масла в процессе обработки лопаток в масляный бак.

Рама представляет собой сварную конструкцию из швеллера № 6.5. На раме установлены две рабочие камеры для обработки (правая и левая). Под камерами внутри имеются раздельные сливы масла в бак.

Привод состоит из:

A) Мотора-редуктора TGL.394 с вращением на выходе 40 об/мин. Редукторный двигатель с циклической зубчатой передачей имеет мощность N= 0.75 КВт.

Б) Цепной передачи с двумя звездочками:

Z₁ =22; Z₂=90; l_ВЬ1Х = 4; n=10 об/мин.

B) Цепи 12.7-1620-2-ГОСТ 13568-75 длиной Г=1850 мм.

Г) Рамы привода сварной конструкции из швеллера № 6.5 и листовой обшивки толщиной 10 мм

Д) Двух редукторов со следующими характеристиками шестерни:

·        Z₁ = 40; m=3;

·        межцентровое расстояние между выходными валами

·        количество выходных валов - 3.

На каждом выходном валу (всего в установке их имеется 6) крепится приспособление - кассета, в которую устанавливается лопатка так, что перо лопатки закрывается корпусом кассеты. Основание каждой лопатки прижимается неподвижным валом.

Система напорных трубопроводов от насосного агрегата к рабочим соплам в камерах обработки состоит из: двух боковых напорных коллекторов (труб) диаметром 80 мм с приваренными штуцерами диаметром 10 мм для раздачи масла к рабочим соплам с установленными в линии вентиляции штуцерами диаметром 15 мм (30 штук) для регулирования рабочего давления и выхода масла в соплах.

Узел подачи воздуха в цилиндре пневмозажима состоящий из следующих узлов и деталей:

·        пневмозажимы - 4 штуки;

·        пневмораспределители крановые 12-21 ГОСТ 18467-73 - К 3/8" - 2 штуки.

·        рукав Г(IV) - 10-10-22 ГОСТ 18696-79

·        вентиль d=15 мм. Резьба 1/2" трубная.

Пульт управления представляет собой безуголковую сварную конструкцию из листового железа. На пульте управления смонтированы посты управления, включения и отключения насосного агрегата и вращения детали, лампы сигнализации и реле времени.

Щиток управления также представляет собой сварную безуголковую конструкцию с пускозащитной аппаратурой.

Сопло гидродробеструйной установки состоит из трех деталей:

·        корпус сопла

·        форсунка

·        трубка эжектора

Маслобак представляет собой сварную конструкцию из уголков и обшивки из листа толщиной 2 мм. Маслобак имеет змеевик для охлаждения или подогрева масла до требуемой температуры согласно инструкции.

Внутри маслобака смонтирован сетчатый фильтр для забора масла насосной установкой типа 4КМ-8. Объем маслобака - 1300 литров.

Габаритные размеры установки: длина - 2750 мм, ширина - 2500 мм, высота - 1700 мм.

В состав электрооборудования установки входят:

·        двигатель маслоагрегата 4AMI80 S 2Ж мощностью 22 КВт и частотой вращения 2900 об/мин;

·        двигатель вращения детали TGL.394 с вращением на выходе мощностью 0.75 КВт

·        конечный выключатель

·        щиток силовой пульт управления

Технические данные работы электрооборудования:

·        напряжение питающей сети - 380 В

·        частота сети - 50 Гц

·        число фаз -3

·        потребляемый ток в рабочем состоянии - 48.3 А

·        потребляемый ток в процессе смены лопаток - 0.01 А

Электрооборудование расположено следующим образом. В силовом щитке находится пускозащитная аппаратура для двигателей Ml, М2 - пускатели КМ1, КМ2. автоматический выключатель FA, предохранитель FU, набор клемм.

Вводной автоматический выключатель QF закреплен на боковине щитка, ручка выведена наружу.

На передней панели пульта управления находятся три лампы сигнализации -включения сети HLW, включения вращения детали HFG1 . включения маслонасоса HFG2, 2 поста управления - включения и выключения двигателей, реле времени, с помощью которого устанавливается время обработки хвостовиков лопаток.

Два конечных выключателя SQ1, SQ2, которые сигнализируют о закрытии крышек. Перед началом работы необходимо выполнить следующее:

·        включить выключатель QF и подать питание в силовую часть установки и на пульт управления

·        на пульте загорается сигнальная лампочка HFW "сеть"

·        установить обрабатываемые детали

·        закрыть крышки камер

·        на реле времени установить время обработки замка.

Управление электросхемой осуществляется с пульта управления. Следует нажать кнопку SBCI "Пуск", подать питание на магнитный пускатель KMI, который встает на самопитание и своими силовыми контактами А1-А5, В1-В5, С1-С5 включает гидронасос М2, а контактом 8-9 включает реле времени КТ. На пульте загорается сигнальная лампочка HFG2. Гидронасос включается только при условии закрытия обеих камер (сработали концевики SQ и SQ2).

Диаметр шариков рассчитывается о формуле d = (1.8...1.2)*R₁, где R₁ -минимальный радиус перехода от одной поверхности к другой. Для замка лопатки R₁ = 1.6 мм, следовательно d = 1.6*1.3 = 2 мм Перед загрузкой в рабочую камеру стальные шарики просеивают через два сита: сначала через сито с размерами ячеек, соответствующих наибольшему диаметру шариков, а затем через сито с размерами ячеек, соответствующих наименьшему диаметру. Количество шариков устанавливается из условий обеспечения заданного расхода шариков каждым рабочим соплом при одновременной работе при отладке установки.

3.2.2 Технологические требования к процессу

Время упрочнения замка лопатки ТНА - 8 минут. Угол атаки (наклона форсунок) -45... 90°. При упрочнении замков лопаток турбины перо защищается кассетой.

Требования к дроби:

·        материал дроби - сталь Б1, 0-200...Б5, 0-200 по ГОСТ 3722-81 и другими

·        шариками по ТИ-190

·        шероховатость поверхности не выше 1.25

·        твердость-58...65 HRC

·        разноразмерность шариков не более 0.3 мм

Требования к СОЖ:

·        при упрочнении в качестве смазывающе-охлаждающей жидкости используется трансформаторное масло ГОСТ 982-8- или 5%-ная эмульсия масла МК-8 ГОСТ 6457-66 или другие жидкости, предотвращающие коррозию установки и стальных шариков давление жидкости - 2... 5.5 кгс/см

·        содержание металлической примеси должно быть не более 0.5 %

·        рабочая температура - 15... 40 С⁰ Требования к контрольным пластинам:

·        длина - 70-0.74 мм, ширина - 20_-0.52 мм, толщина - 1.29 ± 0.04 мм

·        шероховатость поверхности Rz = 2.5 мкм

·        материал - углеродистая сталь УСА

·        термообработка до 46.5... 51.5 HRC

·        максимальное коробление пластин 0.2 мм

3.2.3 Порядок обработки

A) Перед операцией упрочнения лопаток необходимо убедиться в соответствии диаметра шариков и привести диаметр в соответствие с требованиями.

Б) По прибору проверить температуру масла в баке. Если температура масла ниже 25 С⁰ ,закрыть камеры крышками без установленных лопаток, включить насосный агрегат без подогрева воды в змеевике, довести температуру до 25 С⁰.

B) Установить лопатку в кассету, затем смонтировать кассету на привод вращения внутри камеры обработки и поджать в основание замка прижимом.

Д) Закрыть крышку камеры с помощью пневмозажимов.

Е) Включить вращение деталей (с помощью привода).

Ж) Включить насос рабочих сопел

З) Установить величину давления жидкости в коллекторе рабочих сопел согласно технологии (см. пункт 1.2.2).

И) Следить за режимом упрочнения по реле времени в течение обработки.

К) По окончании работы следует выключить насос рабочих сопел и электродвигатель привода вращения лопаток.

Л) Поочередно открыть крышки рабочих камер, снять приспособление с лопаткой, вынуть деталь из кассеты.

По истечении времени обработки срабатывает реле времени КТ, которые своим размыкающим контактом 1-2 разрывает цепь питания магнитных пускателей КМ1, КМ2, гидронасос и мотор-редуктор отключается. Процесс обработки закончен. Следует открыть крышки и достать детали. Следующий цикл обработки начинается с установки лопаток и нажатия кнопки "Пуск". Кнопки SBT1, SBT2 могут отключить двигатели Ml и М2 в любой момент времени.

Ниже приведены технические характеристики гидродробеструйной установки.

А) Гидродробеструйная установка для упрочнения замка лопатки турбины- 2-х камерная, количество одновременно обрабатываемых деталей в двух камерах - 6 штук:

·        количество оборотов лопатки при обработке - 10 об/мин;

·        эффективное ядро распыла дроби - 60... 70 мм

·        расстояние от среза сопла до лопатки - 220 мм

·        количество рабочих сопел в камере - 15 штук

·        диаметр форсунки жидкостного сопла - 6 мм

·        диаметр сопла - 14 мм

·        количество дроби в обеих камерах - 50 кг

Б) Насосный агрегат 4КМ-8

·        производительность - 90 м³/час

·        напор - 55Н*м

·        мощность на валу насоса - 18.5 КВт

·        мощность электродвигателя - 33 КВт

·        обороты электродвигателя - 2900 об/мин

·        средний уровень звука - 84 дБ

·        вес агрегата - 185 кг

3.2.4 Контроль упрочнения

Основным параметром контроля является прогиб контрольной пластины. Для замка лопатки турбиныон составляет 0.25±0.05 мм. Данную проверку следует проводить через 90 часов работы установки. Поверхности замков после гидродробеструйной обработки должны быть покрыты следами от ударов, поэтому через лупу 5... 10-кратного увеличения следует сравнить лопатку с контрольным образцом. По окончании обработки лопатку надо промыть в горячей воде с антикоррозийными добавками или в топливе марки Т-6 по ГОСТ 12308-80 или Т-1 по ГОСТ 10227-86 и т.п.

3.3 Определение остаточных напряжений

Произведено определение поверхностных остаточных напряжений на двух образцах, вырезанных из елочного замка рабочей лопатки ТНА после механической обработки - глубинного шлифования, и на двух образцах, взятых после механической обработки и последующего гидродробеструйного упрочнения.

Вырезка образцов производилась на электроэрозионном станке. Размеры образца 2*3 см; образец берется по всей длине хвостовика.

Рис. 1.8 Схема вырезки образца.

Измерялись напряжения, действующие вдоль (осевые) направления обработки.

Остаточные напряжения определялись методом послойного электрохимического травления исследуемой поверхности и одновременного измерения прогибов образца индуктивным датчиком.

Перед травлением осуществлялись:

·        промывка образцов в ацетоне;

·        определение веса образца на аналитических весах типа АДВ-200 с точностью до 0.5 мГс;

·        определение ширины и толщины образца с точностью ±0.01 мм микрометром в трех сечениях с последующим вычислением их средних значений; измерение базовой длины образца штангенциркулем с точностью ±0.1 мм; закрепление образца на державке;

·        нанесение воска на поверхность образца, не подлежащие травлению и на поверхности державки, погружаемые в электролит;

·        установка полусферы на образце для осуществления контакта со штоком датчика; удаление наплывов на исследуемой поверхности и обработка ее тампоном, смоченном в ацетоне;

·        измерение длины участка образца, подлежащего травлению штангенциркулем с точностью ±0.1 мм;

·        закрепление державки в стойке прибора IV-II-2.

Подбор электролита и выбор режимов травления проводились в соответствии и Производственной инструкцией НИАТа ПИ 1.4.804-84. Измерение прогиба образцов осуществлялась с помощью датчика М-217 с записью кривой деформирования на КСП-4. По окончании травления образцы промывались водой, удалялось защитное покрытие, определялся вес образца после травления. Расчет остаточных напряжений осуществлялся по формуле:

 

Где:  - дополнительное напряжение в слое а₁, возникающее при вырезке образца; - напряжение в слое а₁ непосредственно перед его удалением;  дополнительное напряжение в слое а₁ от снятия предыдущих слоев

Результаты измерения остаточных напряжений показывают, что на поверхности образцов, взятых только после механической обработки, наблюдаются напряжения сжатия порядка 100-150 МПа, достигающие нулевой отметки на глубине порядка 70-90 мкм.

На поверхности же образцов, взятых из хвостовика лопатки после окончательной гидродробеструйной обработки, наблюдаются значительные сжимающие напряжения порядка 400-600 МПа, которые начинают уменьшаться на глубине более 100 мкм и достигают нулевого значения только на глубине 240 мкм.

3.4 Усталостные испытания лопаток

 

3.4.1 Цель испытаний

Усталостные испытания лопаток проводились с целью исследования сопротивления усталости литых рабочих лопаток турбиныТНА, изготовленных в АББ "Унитурбо" из сплава ЦНК-7П.

Получены данные о характеристиках сопротивления усталости лопаток. Проведен статистический анализ результатов испытаний с расчетом предела выносливости и циклической долговечности заданной вероятности разрушения. Определены собственные частоты первой изгибной формы колебаний.

 

3.4.2 Объект испытаний - лопатки турбиныТНА

Для проведения испытаний были взяты:

рабочих лопаток неупрочненных;

рабочих лопаток с упрочненными хвостовиками.

Лопатки были изготовлены в АЛЬСТОМ Пауэр "Унитурбо" г. Москва по чертежу 186.026.01 Л из сплава ЦНК-7П с равноосной структурой. На лопатки были предоставлены сертификат и номера индивидуальных плавок лопаток. В сертификате указано, что лопатки изготовлены в соответствии с требованиями чертежа, технических условий на изготовление 11-2500.ТУ и поставку 2-2500.ТУ и признаны годными для эксплуатации. Номер исходной плавки сплава ЦНК-7П МЦ139-4. Поставщик материала "Willan Metals Ltd". Предоставленные лопатки имели следующие индивидуальные номера плавок: М21836 и 921837.

 

3.4.3 Исследование собственных частот

Собственные частоты первой изгибной формы колебаний определялись на всех предоставленных лопатках для оценки разброса частот и их соответствия техническим требованиям чертежа. Собственные частоты колебаний лопаток определяются в специальном универсальном приспособлении. Лопатки устанавливаются при консольном креплении за хвостовик в профильных зажимных элементах в приспособлении, жестко закрепленном на изолированном фундаменте. Усилие, направленное перпендикулярно плоскости симметрии хвостовика, с которым зажимаются лопатки в универсальном приспособлении, выбирается из условия неизменности замеряемой частоты при дальнейшем увеличении усилия и ограничивается допустимыми напряжениями смятия по рабочим поверхностям зубьев гребенки хвостовика. Усилие закрепления исследованных лопаток в профильных зажимных элементах составляло 10000кгс. Возбуждение резонансных колебаний лопаток осуществляется волновым методом с помощью пьезоэлектрического вибратора, встроенного в корпус универсального приспособления, без контакта с пером лопатки. Сигнал возбуждения колебаний поступает на пьезовибратор от звукового генератора. Собственные частоты лопаток определяются по фигуре Лиссажу на экране электронного осциллографа, на который поступают сигнал возбуждения лопаток от звукового генератора и сигнал отклика от микрофона, установленного вблизи пера лопатки. Собственные частоты лопаток фиксируются на табло частотомера. Результаты измерений собственных частот первой изгибной формы колебаний предоставленных лопаток турбиныТНА показали, что минимальная и максимальная частоты колебаний лопаток соответственно равны 836 и 857 Гц, разброс частот равен 21 Гц и соответствуют техническим требованиям чертежа.

3.4.4 Оборудование для усталостных испытаний лопаток

1) Электродинамический вибростенд.

Электродинамический вибростенд применяется для усталостных испытаний лопаток при колебаниях по собственным формам с частотой не более 2000 Гц. При больших частотах амплитуда колебаний лопаток уменьшается, что не позволяет разрушить лопатки.

Схема электродинамического вибростенда приведена в графической части проекта. Лопатка 1, закрепленная в специальном зажиме 2, устанавливается на столе-мембране вибростенда 3. Электродинамический вибростенд имеет две обмотки: стационарную и подвижную, прикрепленную к столу. На стационарную обмотку подмагничивания подается питание по цепи 9. Переменное электрическое напряжение с частотой, соответствующей частоте собственных колебаний лопатки, от генератора переменных напряжений 7 через усилитель мощности 8 подается на подвижную обмотку. На эту обмотку в поле стационарной обмотки подмагничивания действует переменная электродинамическая сила с частотой переменного напряжения, подаваемого от генератора, что приводит к колебаниям подвижной обмотки вместе со столом-мембраной и закрепленными на нем зажимом и лопаткой. При совпадении частоты переменного напряжения генератора с частотой собственных колебаний лопатки ее колебания резко усиливаются и приводят к усталостному разрушению.

Контроль уровня механических переменных напряжений в лопатке производится с помощью приклеенного тензорезистора 10 и специальной тензоаппаратуры 11. Сигнал и частота колебаний лопатки выводятся на экраны осциллографа 12, вольтметра 13 и частотомера 14.

Для поддержания уровня колебаний постоянными в процессе испытаний применяются специальные индукционный датчик обратной связи 4 и регулятор 5. Для подсчета числа циклов используется частотомер 8.

2) Воздушный вибростенд.

Воздушный вибростенд применяется для усталостных испытаний лопаток при колебаниях по собственным формам с высокими частотами до 20 000 Гц.

Схема воздушного вибростенда приведена в графической части проекта. Лопатка 1, закрепленная в специальном зажиме 2, устанавливается на неподвижном столе. Колебания лопатки возбуждаются воздухом, подаваемым регулятором 16 в сопло 15 на лопатку через вращающийся диск 3 с прорезями. Перемещение прорезей между соплом и лопаткой приводит к пульсирующему воздействию воздуха на лопатку с частотой, пропорциональной частоте вращения диска и числу прорезей в диске. При совпадении частоты пульсаций воздуха с частотой собственных колебаний лопатки ее колебания резко усиливаются и приводят к усталостному разрушению.

Диск вращается с помощью основного 8 и стабилизирующего 9 электродвигателей, обороты которых управляются от генератора переменных напряжений 7 через усилитель мощности 6 и регулятор 5 с помощью специального индукционного датчика обратной связи 4.

Контроль уровня механических переменных напряжений в лопатке производится с помощью приклеенного тензорезистора 10 и специальной тензоаппаратуры 11. Сигнал и частота колебаний лопатки выводятся на экраны осциллографа 12, вольтметра 13 и частотомера 14.

3.4.5 Исследование распределения относительных напряжений

На лопатках с минимальной, средней и максимальной частотами первой изгибной формы резонансных колебаний проводится исследование распределения относительных напряжений на данной форме колебаний.

Тензорезисторы с базой 5мм и шагом 10мм наклеиваются вдоль входной и выходной кромок со стороны корыта и вдоль спинки в местах наибольших толщин профиля. Схема препарирования лопаток турбиныТНА тензорезисторами приведена в графической части проекта.

По результатам исследования первой лопатки допускается ограничить число тензорезисторов за счет сечений, где относительные напряжения составляют менее 40% от максимальных напряжений.

Полученные эпюры распределения относительных напряжений по трем лопаткам усредняются и по средним значениям строятся кривые распределения относительных напряжений. При построении эпюр распределения относительных напряжений за единицу отсчета принимается максимальное значение напряжений.

На рисунке 2.1 приведены эпюры распределения относительных напряжений на исследованных рабочих лопатках турбиныТНА на частоте первой изгибной формы колебаний.

Из результатов тензометрирования следует, что нагруженной зоной лопаток, где действующие напряжения составляют свыше 95% от максимального напряжения, является входная и выходная кромки на расстоянии от 60 до 70мм от основания хвостовика.

В дальнейшем исследуемые лопатки препарировались тензорезисторами №№ 2, 3, 2", 3", расположенными в зоне действия наибольших напряжений.

3.4.6 Метод испытаний на усталость

Целью испытания на усталость является определения предела выносливости и параметров кривой усталости лопаток.

Испытания лопаток на усталость проводится при резонансных колебаниях по первой изгибной форме при температуре 20+5 С.

Уровень нагружения лопаток задается с учетом модуля упругости, указанного в паспорте материала, из которого изготовлены лопатки. Для лопаток из сплава ЦНК-7П по справочным данным модуль упругости был принят равным 2,1 10 МПа.

База испытания лопаток составляет 2x10 циклов.

За критерий разрушения принимается снижение собственной частоты лопаток на 1% относительно исходного значения и наличие трещины по результатам ЛЮМ контроля.

За предел выносливости принимается наибольшая амплитуда максимальных переменных напряжений, при которой выдерживают базу испытаний три лопатки.

Лопатки турбиныс хвостовиком елочного типа испытываются при консольном креплении при опирании по верхнему зубу и по ролику, установленному в нижнем пазу хвостовика. При данной схеме крепления лопаток турбины, исследуется сопротивление усталости всей лопатки как пера, так и хвостовика.

Перед проведением испытания каждая лопатка препарируется тензорезисторами в зоне действия наибольших напряжений. Уровень нагружения задается по тензорезистору с максимальными показаниями. Начальный уровень нагружения первой лопатки составляет около 120... 150% от предполагаемого предела выносливости.

Среднеквадратичная погрешность измерения не превышает 2%. Калибровка измерительных устройств проводится в соответствии с методикой калибровки измерительных устройств на режимах, охватывающих режимы испытаний лопаток.

Испытание ведется с наработкой базы испытаний. Каждая последующая лопатка испытывается на уровне на 2-4 кгс/мм² ниже уровня нагружения, на котором разрушилась предыдущая лопатка, или на том же уровне нагружения в случае прохождения предыдущей лопаткой базы испытаний.

При прохождении базы испытаний тремя лопатками, оставшиеся лопатки испытываются на уровне, выше определенного предела выносливости.

Лопатки, прошедшие базу испытаний, для получения дополнительной информации могут испытываться на более высоких уровнях нагружения. Полученные экспериментальные данные служат для построения кривой усталости. Данная методика позволяет на ограниченном количестве лопаток 12шт. определить предел выносливости и построить кривую усталости.

3.4.7 Метод обработки результатов испытаний

По результатам испытаний лопаток на усталость определяется предел выносливости, равный наибольшей амплитуде максимальных переменных напряжений, при которой выдерживают базу испытаний три лопатки. Дополнительно по результатам испытаний может проводится регрессионный анализ для расчета предела выносливости и циклической долговечности заданной вероятности разрушения и построения кривой усталости по параметру вероятностного разрушения. Уравнение эмпирической линии регрессии, устанавливающей связь между логарифмом амплитуды напряжений и логарифмом циклической долговечности, имеет вид:

Y = А + Bх,

где Y - оценка условного математического ожидания величины y=lgN для заданного значения x;

А=а - Bх.

Оценка параметров уравнения линии регрессии проводится по методу наименьших квадратов.

Доверительные интервалы для теоретической линии регрессии вычисляются для вероятности разрушения 0.1 и 0.9 с помощью критерия Стьюдента.

 

.5 Результаты испытаний

Предел выносливости неупрочненных лопаток турбиныТНА, определенный по ЕТУ составляет 18 кгс/мм² , что является недостаточным. Испытанные лопатки турбиныТНА разрушались не только по перу, но и по хвостовику, причем на некоторых лопатках возникало несколько трещин. По верхней впадине хвостовика трещины образовывались со стороны корыта и со стороны спинки. Разрушение лопаток по перу происходило при напряжении значительно выше предела выносливости. Таким образом лопатки турбиныТНА имеют недостаточное сопротивление усталости по хвостовику.

Гидродробеструйное упрочнение хвостовика лопаток привело к повышению предела выносливости до 24 кгс/мм² и удовлетворить требования Заказчика по усталостной прочности лопаток.

Глава 4. Часть по автоматизации

 

4.1 Описание программного пакета CATIA

 

4.1.1 Применение и возможности CATIA

CATIA является пакетом интегрированных модулей CAD/CAM/CAE. Данная система разработана французской компанией Dassault Systemes, чьё отделение Dassault Aviation является разработчиком истребителя "Мираж".

Изначально CATIA была разработана в авиакосмической промышленности для автоматизации процесса числовой программной обработки на основе пространственных моделей. Будучи одним из первых продуктов в этой области промышленности, применяющих пространственное проектирование, CATIA стала на данный момент ведущим продуктом в области проектирования и производства. CATIA сейчас используется в широком диапазоне промышленностей. Продукты CATIA работают в авиакосмической, автомобильной, тяжелой промышленности, в медицине, строительстве, судостроении, архитектуре, в производстве электрооборудования, мебели и во многих других областях.

Программные продукты CATIA используются более чем 100 компаниями в мире, среди которых BMW, Mercedes, Volvo, Siemens, Electrolux, Nike и др. Ведущим потребителем программного обеспечения CATIA является корпорация Boeing Company. Почти все западные авиастроительные компании использовали CATIA при создании своей продукции, но Boeing был первой компанией, построивший аэробус 777 полностью в компьютерной трехмерной среде. Пакет CATIA способен обеспечить симуляцию всего жизненного цикла такого изделия, как аэробус, включая проектирование, анализ, производство, испытания и эксплуатацию. С помощью CATIA была разработана структура аэробуса, спроектированы все детали, узлы и агрегаты, проведены аэродинамические, прочностные, температурные расчеты, выбрано технологическое оборудование и инструменты, рассчитаны режимы обработки, спроектировано и создано новое технологическое оборудование, спроектированы оптимальные технологические процессы производства деталей и сборки. Продукты CATIA помогли провести различные испытания изделия. С помощью внутренней сети Boeing более 3 миллионов деталей производились в разных странах мира одновременно: CATIA позволила с помощью системы визуализации оптимизировать работу более 50 тысяч людей в мире, и многократно ускорила процесс создания изделия за счет практического исключения проблем связи и обмена информации между различными подразделениями корпорации. Также крупнейший автомобильный производитель Chrysler с помощью CATIA создал новою модель Neon всего за 31 месяц, что является на данный момент самым коротким циклом развития в автомобильной индустрии. Даже такая компания, как L’Oreal использовало программные продукты CATIA для снижения затрат производства за счет оптимизации и дизайна продукции.

На данных примерах можно увидеть, как с помощью систем CAD/CAM/CAE меняется подход к производству. За счет применения систем автоматизации на всех уровнях предприятия и этапах производства повышение эффективности производства очень высоко.

Чтобы подробнее описать возможности CATIA, ниже приводится краткое описание функций различных модулей данного пакета.

 

4.1.2 Описание модулей пакета программ CATIA

5626-DR2 2D Wireframe and Annotation

Двухмерное чертёжное геометрическое моделирование, нанесение размеров и надписей на чертежах. Данный модуль представляет собой набор инструментов быстрого и лёгкого создания и модификации двухмерной геометрии, её образмеривания и аннотирования одновременно с возможностью визуализации трёхмерной геометрии.

-DRA Drafting

Модуль Drafting представляет собой расширение возможностей модуля 2D Wireframe and Annotation и содержит настраиваемые чертёжные стандарты, использование трёхмерных моделей для создания чертёжных видов и сечений, плоскую параметризацию и проекционное черчение.

CATIA-CADAM Drafting

Интегрированный чертёжный пакет систем CATIA и CADAM, содержащий функциональные преимущества обеих систем: 2D и 2.5D проектирование и черчение, включая вариационные методы, которые позволяют автоматически вводить определяемые пользователем параметры, геометрические и функциональные ограничения. Содержит

Sketcher - средство быстрого интуитивного эскизирования с динамическим присвоением граничных условий.

-DXF DXF/DWG Interface

Специализированный интерфейс для прямого обмена графическими данными с РС- ориентированными программными продуктами. Позволяет рационально распределить компьютерные и кадровые ресурсы конструкторского подразделения в соответствии со сложностью решаемой задачи, сохраняя при этом единство представления данных.

5626-DRS Draw-Space (2D/3D) Integration

Продукт Draw-Space (2D/3D) Integration устанавливает и поддерживает взаимное соответствие между трехмерной геометрией и ее графическим представлением. Он полностью интегрирован с модулями 2D Wireframe and Annotation, 3D Parametric Variational Modeler и другими. С его помощью ранее разработанные двухмерные объекты могут быть использованы для создания трехмерных моделей.

- DYS Dynamic Sketcher

Модуль быстрого эскизирования, дающий возможность пользователю выполнять быстрые построения двухмерных объектов для их участия в создании трехмерной геометрии. С его помощью можно редактировать ранее построенные трехмерные модели. Модуль осуществляет постоянный контроль геометрии на предмет отсутствия внутренних конфликтов. Пользователь может присваивать элементам плоского контура управляемые редактируемые размеры, редактировать и вводить граничные условия. Полученная в 3D результирующая геометрия является логическим контуром и пригодна для 3 D-построений и параметризации.

-WF3 3D Wireframe

Модуль каркасного моделирования - продукт ядра геометрического моделирования в системе CATIA, дающий инструмент создания, модификации и анализа трехмерной каркасной геометрии. 3D Wireframe предоставляет наиболее широкий из всех CAD/CAM систем набор методов построения. Данный модуль может функционировать без других модулей. Модуль может работать в среде любых приложений СATIА.

-SOE Exact Solids

Модуль Exact Solids обеспечивает геометрическое моделирование точных объемных тел, пригодных для дальнейшего использования в приложениях анализа и подготовки производства. Уникальный инструмент редактирования древовидной структуры построения солида обеспечивает и возможность легкой возможности геометрии. Модуль Exact Solids плотно интегрирован с моделированием поверхностей, трехмерной параметризацией и чертежным режимом. Он поддерживает широкий спектр опций, таких как создания призм, тел вращения, галтелей, уклонов и др.

-РАЗ 3D Parametric Variational Modeler

Модуль трехмерного вариационного параметрического моделирования, позволяющий конструктору наделять геометрические объекты параметрическими данными для быстрого выполнения модификаций, ускоряя тем самым процесс построения. 3D Parametric Variational Modeler поддерживает все виды геометрических данных: каркасы, поверхности, солиды. Параметризации может подлежать как геометрия целиком, так и отдельная ее часть, как во время построения, так и после него, причем независимо от способа выполнения геометрии.

-FEA Feature-Based Design

Модуль предназначен для проектирования на основе типовых параметризованных конструктивных элементов. Feature-Based Design позволяет стандартизировать типовые параметризованные конструктивные элементы, как готовые схемы построения с открытыми для введения и модификации геометрическими параметрами. Модуль содержит всё многообразие способов пространственного позиционирования типового элемента в текущей детали.

-AS S Assembly Modeling

Продукт, позволяющий проектировать сборку. Предназначен для создания и управления комплексов сборочных единиц, используя геометрические данные и граничные условия. Сборка может выполняться из деталей, находящихся в разных моделях. Полученные в результате сборки данные пригодны для работы в модулях трехмерной параметризации, расчета допусков и посадок, черчения и кинематики. Логика механических связей

-SHE Sheet metal Design

Модуль проектирования листовых деталей обеспечивает задачи проектирования, анализа, управления и технологической подготовки производства деталей на основе листовых заготовок. Используя технологические и параметрические атрибуты, пользователь добавляет к геометрической интеллектуальную информацию, такую как свойства материала, пригодную для применения в последующих приложениях. Модуль автоматически строит развертку листа заготовки и проверяет деталь на конфликты типа "нахлеста при развертке". Он (модуль) полностью интегрирован с модулями, Drafting, Exact Solids, Assembly Modeling.

5626-FDT 3D Functional Dimensioning and Tolerancing

Модуль расчета трехмерных допусков и посадок. Предназначен для присвоения, анализа и редактирования допусков и посадок, приложенных к функциональным поверхностям и кромкам солидов, поверхностям, граням и оболочкам. С его помощью выполняется анализ размерных цепей, анализ допуска на замыкающий размер и анализ собираемости сборки по признакам натягов. Производимые продуктом данные пригодны для их использования в технологической подготовке производства. 3D Functional Dimensioning and Tolerancing является ключевым продуктом в системе управления качеством. Модуль полностью интегрирован с модулями 2D Wireframe and Annotation, Drafting, Draw-Space (2D/3D) Integration, Exact Solids, 3D Parametric Variational Modeler, Assembly Modeling.

5626-SUD Surface Design

Модуль, позволяющий моделировать поверхности, предлагает пользователю инструмент быстрого и качественного построения и модифицирования поверхностной геометрии. Он работает как основной инструмент при манипулировании поверхностями, гранями, оболочками и замкнутыми объемами. В нем также присутствуют средства численного анализа поверхностной геометрии.

-ASU Advanced Surface Design

Модуль проектирования сложных поверхностей. Содержит большой выбор средств создания, модификации, анализа и выглаживания сложных поверхностей с воспроизводимой историей построения. С его помощью создаются поверхности класса А для стилевого дизайна, аэродинамики и других особо ответственных геометрических форм. В числе уникальных возможностей Advanced Surface Design содержит использование графических законов углов, радиусов, параметров масштабирования, параметров площадей. Среди граничных условий, накладываемых при построении, могут использоваться неявных законы углов касательных, считанных со встречных поверхностей. Модуль полностью интегрирован с DRS Draw-Space (2D/3D) Integration, 2D Wireframe and Annotation, Drafting, Exact Solids, 3D Parametric Variational Modeler.

5626-FRF Free Form Design

Модуль проектирования произвольных форм, представляющий собой расширение возможностей модулей Surface Design и Advanced Surface Design, предназначен для построения, анализа, выглаживания и модификации наиболее сложных "скульптурных" кривых и поверхностей. Он работает как в математике NURBS, так и в математике двухпараметрических полиномов Безье. Free Form Design содержит уникальный инструмент высокочувствительного численного анализа качества поверхностной геометрии с его графической визуализации в виде цветовых диаграмм, эпюр и многих других форм представления.

-GSD Global Shape Deformation

Данный модуль является набором программных средств деформирования по сложным трехмерным законам поверхностей, граней, оболочек, замкнутых объемов и солидов. При этом сохраняется внутренняя гладкость и непрерывность деформированных форм и элементов их построения. С его помощью можно воспроизводить поведение сложных деталей при ударе, изгибе, обратном пружинении при штамповке, усадке при литье и других физических процессах; можно создавать технологическую геометрию на основе конструктивной. Пользователь может контролировать такие критические контекстуальные параметры, как допуск позиционирования, разделение поверхностей на порции и их степени полиномов.

-DEV Develop

Модуль Develop позволяет инженерам быстро создавать плоскую развертку из трехмерной поверхностной геометрии (одинарной и двойной кривизны, изотропических и анизотропических ), проецировать геометрию из 2D в 3D и обратно, создавать на кривых развертываемые поверхности и анализировать параметры деформации геометрии при развертывании. Продукт является важнейшим инструментом технологической подготовки производства листовых штамповок.

-GEO Geodesic

Модуль построения лежащих на поверхности кривых. Представляет собой аппарат построения "геодезических" кривых на сложных поверхностях, необходимых для создания точных разметок на листовых деталях, масок, шаблонов раскроя и другой геометрии. В нем встроены инструменты построения на сложных поверхностях параллельных, нормальных, эквидистантных и других кривых, а так же скруглений углов и сеток.

-ENG Engraving/Embossing

Модуль гравировки и теснения. Предназначен для создания рельефной геометрии на сложных поверхностях маппированием TIFF-файлов. С его помощью на поверхность детали наносятся элементы маркировки и клеймения, логотипы и другие виды рельефного изображения.

-CGO Cloud То Geometry

Модуль использования массивов точек при создании сложной поверхностной геометрии. Предназначен для обеспечении моста между геометрией физического прототипа в виде массива сосканированных точек и математической моделью этого объекта. Он содержит функции фильтрования шумовых точек, переупорядочивания оцифровок, их выглаживания и восстановления поверхностной геометрии. Предусмотрено двухстороннее преобразование геометрии между массивами точек и геометрией CATIA и поддерживается несколько нейтральных форматов записи массивов для обмена данными.

-GPS Generative Part Stress Analysis

Модуль оценочного конструкторского расчета на прочность. Модуль не требует специальных знаний в области прочностного анализа. Он позволяет выбрать анализируемый объект, присвоить ему свойства материала из таблицы, место и тип заделки, внешнюю нагрузку. Автоматически строится и оптимизируется сетка конечных элементов и запускается решающая программа. В результате расчета пользователь имеет диаграммы напряжений, перемещений и вероятных ошибок. Для повышения точности расчета предусмотрена адаптация сетки конечных элементов в зонах наибольших вероятных ошибок и повторная калькуляция. Сетка конечных элементов ассоциативно связана с исходной геометрией и имеется прямой доступ к изменению параметрических размеров детали. Поэтому возможен одновременный расчет и доработка геометрии в режиме итерации.

-NCB Manufacturing Infrastructure

Модуль производственной инфраструктуры. Инфраструктура технологической подсистемы включает в себя технологическую базу данных станков, режущего инструмента, материалов и режимов резания. Позволяет осуществить визуальный контроль траектории режущего инструмента и строк фрезерования, а также графическое редактирование траектории инструмента. Обеспечивает возможность создания описаний вспомогательных перемещений фрезы и управление синтаксисом команд постпроцессора.

-РРВ Postprocessor Builder

Генератор постпроцессоров для станков с ЧПУ. Формирование постпроцессора не требует от технолога знаний в области алгоритмического программирования, так как эта процедура сводится к заполнению табличных форм. В стандартную конфигурацию модуля входят наиболее распространенные постпроцессоры для 3-,5-координатных станков с ЧПУ.

-МАА Milling analysis

Модуль анализа процессов машинного фрезерования. С помощью данного модуля производится рациональный выбор необходимого пакета фрез, а также правильное позиционирование заготовки на станке. В результате работы этого модуля формируются вспомогательные геометрические элементы - зоны детали, не обработанные данной фрезой при определенном положении оси фрезы. Эти элементы затем могут быть доработаны меньшим инструментом. Предварительный совместный анализ системы "деталь-фреза"

Значительно повышает эффективность обработки.

-NCR Rough Cutting

Модуль черновой обработки. Позволяет формировать управляющие программы, оптимизирующие процесс черновой обработки (обдирки) заготовки детали.

-NC3 Fixed Axis Milling

Модуль трехкоординатной фрезерной обработки. Предназначен для формирования программ для электроэрозионных, шлифовальных и фрезерных трехкоординатных станков с ЧПУ. Предлагается широкий спектр стратегий управления перемещениями инструмента при обработке, как всей детали, так и выделенных зон.

-NC5 Multiple Axis Milling

Модуль пятикоординатной фрезерной обработки. Продукт обеспечивает подготовку программ обработки деталей на трех-, пяти-координатных станках с ЧПУ. Осуществляет оптимизацию управления углом опережения инструмента для обеспечения бесподрезного многоосевого фрезерования деталей с нерегулярной поверхностью.

5626-ELD Electrical Device and Support Modeling

Модуль моделирования агрегатов электросистем и их опорных элементов. Продукт, позволяющий моделировать геометрические и функциональные характеристики коммутационных узлов, разъемов, фиксаторов для электрооборудования автомобилей. Входит в состав конфигурации ЕЕМ (3D Electrical Systems Engineering).

-ELW Electrical Wire Bundle Installation

Продукт для моделирования электрокоммуникаций. Модуль реализует трассировку сети электрооборудования с учетом механических характеристик кабеля. Формируется схема компоновки жгутов и расчет фактических длин кабелей с учетом провисания. Входит в состав конфигурации ЕЕМ (3D Electrical Systems Engineering).

-SPD System Pathway Definition

Модуль определения маршрутов прокладки коммуникаций. Позволяет конструктору производить размещение коммуникационных систем в среде геометрической модели изделия с учетом расположения агрегатов и узлов. Работа этого продукта определяет во многом эффективность модуля Electrical Wire Bundle Installation. Входит в состав конфигурации ЕЕМ (3D Electrical Systems Engineering).

-ANI Analysis Infrastructure

Инфраструктура анализа на прочность. Организация инфраструктуры подсистемы конечно-элементного моделирования. Продукт осуществляет настройку на терминологию и библиотеки выбранного пользователем расчетного пакета (CATIA ELFINI, ANSYS, NASTRAN), обеспечивает управление данными и графическими параметрами объектов анализа. Входит в состав конфигурации FAN (Finite Element Analysis).

-SPM Scientific Presentation Modeler

Модуль обработки результатов анализа на прочность. Предназначен для отображения на экране и вывода на внешние устройства результатов выполненных расчетов. Любые требуемые характеристики могут быть представлены в текстовом, графическом или реестровом формате. Входит в состав конфигурации FAN (Finite Element Analysis).

-FEM Finite Element Modeler

Моделирование конечных элементов. Генератор сеток конечных элементов предоставляет инженеру широкий выбор способов, алгоритмов и степени автоматизации процедур создания моделей: от ручного топологического метода до полностью автоматического режима разбиения на одно-, двух- и трехмерные конечные элементы. В модуле представлены практически все способы задания граничных условий и нагружения. Диалог с пользователем ведется в терминах выбранного расчетного пакета. Осуществляется анализ качества создаваемой сетки по критериям, определенных пользователем. Входит в состав конфигурации FAN (Finite Element Analysis).

-ANS ANSYS Interface

Прямой двусторонний интерфейс с расчетной системой ANSYS.

-PBG Publishing

Подсистема выпуска текстовых и графических документов, которые могут быть использованы как для производственных, так и для маркетинговых целей.

-VST Visualization Studio

Продукт позволяет дизайнеру оценить эстетические характеристики изделия, а работникам маркетинговых служб предприятия - помочь проанализировать спрос на изделие. Модуль располагает огромным набором редактируемых 2D- и 3D- текстур материалов и сред, разнообразными средствами задания условий освещенности; вычислительный алгоритм позволяет формировать многократные зеркальные отражения от кузовных поверхностей, моделировать преломление светового луча на границе двух сред (в том числе и нестационарных - тепловые потоки воздуха или волнение жидкости ). Может быть создана последовательность изображений с изменением направления линии взгляда (аналог мультфильма).

-IGS IGES Integrated Interface

Стандартный двусторонний интерфейс для обмена геометрической информацией с другими САПР.

 

4.2 Основные функции построение модели и чертежа деталей в САПР CATIA

В современном проектировании деталей газотурбинных силовых установок системы автоматизации играют очень важную роль. На этапе проектирования и конструирования особо важную роль играет построение трехмерной модели детали (солида). Электронная модель является основой для всех видов расчетов. Для газотурбинных силовых установок модель детали, для которой требуются сложные расчеты, передается в отдел прочностных, аэродинамических и термодинамических расчетов. Далее модель, либо передается в модуль CATIA, способный сделать требуемые расчеты (разные модули для разных типов расчетов), либо, как это часто встречается на предприятиях, не способных закупить весь пакет программ CATIA, через интерфейс, основанный на Motif, переводится в определенный формат, и далее идут расчеты в других программах (п. 3.1.2). Есть также и обратный процесс: например, рассчитанный в аэродинамическом отделе профиль пера лопатки переводится в формат CATIA, и далее идет уже работа по созданию модели от этого пера. Построение конструкторских чертежей является уже функцией контроля правильности построения модели.

В данном разделе рассмотрены основные функции CATIA построения модели и чертежа детали. В пункте 4.2.1 рассмотрен интерфейс пользователя, в пункте 4.2.2 описаны функции создания двухмерной геометрии и образмеривания, В пункте 4.2.3 построение трехмерной модели детали (на элементарных примерах) и получение двухмерных видов на основе построенного солида.

 

4.2.1 Интерфейс пользователя

Работа в системе автоматизированного проектирования CATIA идет в диалоговом режиме. Экран состоит из панели меню (файл, сервис, формат, справка и т.д.), из командной строки (где также задаются параметры геометрии), из панели наиболее часто используемых операций (нижняя панель) и из панели функций.

На панели наиболее часто используемых операций находятся следующие кнопки: выбор основного вида, переход от трехмерного режима к двумерному и обратно, запоминание модели или чертежа для последующей передачи в другой файл, выбор вида представления солида, кнопка вывода набора функций, выбор окна, обновление вида (при увеличении или уменьшении объекта). Также на денной панели находится кнопка перехода к режиму "No show". Данный режим нужен для хранения ненужной на данный момент геометрической информации. Причем информация может свободно переносится из рабочего вида в режим "No show".Также на этой панели расположены вспомогательные функции YES и NO(аннулирование предыдущего действия), часто используемые в работе с совершенно разными функциями.

Панель функций состоит из панели собственно функций и панели, в которой содержатся подфункции и опции рабочей в данной момент функции. На вспомогательной панели подфункции и опции расположены в вертикальном порядке следующим образом: первый столбец - подфункции, следующий столбец - опции данной подфункции (которая используется в данный момент), следующий - подопции данной опции и т.д. Функции на панели также расположены вертикально. Существуют два списка функций: первый - для работы в двухмерном пространстве, второй - для работы в трехмерном. Подробнее о работе с функциями и их подфункциями будет описано в следующих разделах. Помимо функций создания и взаимообмена между 2D- и 3D- режимами геометрической информации, в списке присутствуют функции работы с файлом, создания чертежного листа и вывода его на печать (для 2D), анализа геометрии (количественного и сравнительного), настройки рабочих окон, функция передачи геометрической информации из одного файла в другой и другие, реже используемые функции.

Подробнее опишем настройку рабочих окон. В системе CATIA выводится на экран до четырех окон одновременно. Одно из них будет рабочим. Выбор рабочего окна производится нажатием левой кнопкой мыши (далее Ml) на пустой кружок в верхнем левом углу окна (при переходе окна в рабочий режим кружок окрашивается в красный цвет). Виды окон бывают следующие: двухмерный чертеж (drawing), трехмерный изометрический вид(хуг), проекции трехмерной геометрии по плоскостям xz, ху, zy. В командной строке указываются параметры создаваемой геометрии, а также разные коды для обозначения выбираемых объектов. Допустим, требуется перейти от одного окна к другому (от двухмерного к XYZ). Ml выбираем на нижней панели функцию WI (вида), затем в командной строке указываем код XYZ. Над командной строкой находится строка, в которой описаны действия, которые требуются для создания данного вида геометрии. Слева указывается действие для левой кнопки мыши, затем через две наклонных черты - для правой кнопки; справа указывается информация, которая может быть введена в командной строке. Слева от командной строки указываются параметры, которые будут приняты системой, если они устраивают пользователя. Они называются стандартными (standard) и принимаются путем выбора на нижней панели вспомогательной функции YES. Подробнее о работе выше описанных элементов пользовательского интерфейса будет рассказано в следующих разделах.

4.2.2 Создание двухмерной геометрии, образмеривание и нанесение надписей

Для начала работы следует выбрать на нижней панели режим Drawing нажатием кнопки DR, затем также на нижней панели или в функции FILE выбирается соответствующая настройка панели функций (настройка DRW), и наконец, выбирается в функции IMAGE вид окна следующим образом: Ml указывается на панели IMAGE, затем на панели подфункций (далее обозначение перехода к следующему действию будет "+") указывается SCREEN+DEFINE. Появляется временное окно, где указаны виды наборов окон и виды самих окон. Выбирается Ml "одно окно" и вид окна "DR". Далее +YES. Можно начинать работу.

Создание двухмерной геометрии осуществляется с помощью функций построения основных примитивов. В СATIА есть следующие такие функции: LINE (построение линий и отрезков), POINT (построение точек), CURVE (построение кривых, кругов и эллипсов). Рассмотрим подробнее данные функции.

Функция POINT имеет следующие подфункции (виды задания точек): точка пересечения двух элементов (в случае отсутствия пересечения система указывает ближайшую точку на первом указанном элементе), окончание отрезков, точка касания двух элементов, путем указания координат (координаты задаются в командной строке). Для наглядности приведем пример. Рассмотрим алгоритм получения точки пересечения двух отрезков:POINT + PROJ INT + указание Ml первого отрезка + указание Ml второго отрезка. Полученная точка указывается крестом. Примечание: любой выделяемый объект загорается красным цветом.

Функция LINE применяется для построения прямых, лучей и отрезков. Подфункции LINE обеспечивают построение следующих видов линий: из точки в точку, параллельных, горизонтальных, вертикальных, медиан, перпендикулярных, касательных, наклонных, путем задания уравнения прямой. В каждой из этих подфункций имеются три одинаковые опции: TWO LIM (построение прямой), ONE LIM (построение луча), NO LIM (построение отрезка). Рассмотрим алгоритм построения параллельного определенному линейному элементу отрезка:LINE + PARALLEL + указывается Ml исходный элемент + указывается область, в которой будет построен параллельный отрезок + в командной строке указывается расстояние между параллельными элементами (или при наличии рядом с командной строкой нужного стандартного значения - YES (далее альтернативное действие будет обозначатся "//") + в командной строке указывается длина отрезка (начальная точка указывается либо автоматически, как начальная точка равного параллельного элемента исходному, либо нажатием правой кнопки мыши (далее М2)) // YES (при совпадении стандартных значений с нужными пользователю) // указание М2 на экране конечной точки отрезка.

Примечание: далее в приведении примеров построения двухмерной геометрии не будет указываться альтернативное действие введения стандартных параметров, так как такие параметры присутствуют при любом вводе в командную строку. Эти параметры выбираются системой автоматически из предыдущей подобной операции.

Также в функции LINE имеется подфункция MODIFY, в которой есть опции переноса и дубликации линии.

Функция CURVE используется для построения окружностей, эллипсов, кривых (SPLINE). Окружности строятся следующими способами: указанием центра и радиуса, касательным к двум элементам и указанием радиуса, касательным к трем элементам, указанием трех точек окружности; кривые строятся путем указания точек данной кривой, заданием уравнения.

Рассмотрим алгоритм построения окружности, касательного к двум элементам: CURVE + CIRCLE + MLT TGT + Ml указывается первый элемент + Ml указывается второй элемент + М2 указывается область нахождения центра окружности + в командной строке вводится значение радиуса.

Для тримирования, создания фасок, скруглений используется функция LIMIT. Данная функция имеет следующие подфункции: функция изменения конечных точек элементов (RELIMIT), функция разбивки элементов на составляюгцие(ЕЖЕАК), функция скругления (CORNER), функция создания фасок (CHAMFER). Рассмотрим выше перечисленные подфункции подробнее.

Подфункция RELIMIT используется для изменения граничных параметров ранее построенной геометрии. В данной подфункции имеются следующие опции: переограничение по обоим элементам и ограничение указываемого первым элемента. В качестве ограничивающих элементов могут выступать любые двухмерные элементы. Рассмотрим алгоритм переограничения линии:

LIMIT + RELIMIT + TRIM ELI + указывается переограничиваемый элемент (линия) Ml + указывается ограничивающий элемент Ml // указывается произвольная точка на экране М2.

Подфункция CORNER позволяет скруглять внутренние или выступающие углы. При этом есть три режима скругления: скругления без переограничения обоих составляющих угла скруглением (NO TRIM), с переограничением указываемой первой составляющей скругляемого yraa(TRIM ELI), без переограничением обеих составляющих yrna(TRIM ALL).

Пример: скруглеиие угла с иереограничеиием обеих составляющих угла:

LIMIT + CORNER + TRIM ALL + в командной строке указывается радиус скругления + указывается первая составляющая угла Ml + указывается вторая составляющая угла М1.

Подфункция CHAMFER обеспечивает построение фасок. При этом в опциях данной подфункции существует два режима задания параметров фаски: 1)когда в командной строке через запятую вводятся размеры фаски по горизонтали и вертикали; 2) в командной строке через запятую вводятся длина и угол наклона фаски относительно указываемого первым элемента стачиваемого угла.

Для создания видов по плоскостям используется функция COMBIVU.

Данная функция позволяет создавать вспомогательные линии проекций с одного вида на другой. Рассмотрим как создать проекцию с вида XY на ZY:

На нижней панели Ml нажимается кнопка основного вида (на ней изображено несколько осей) + Ml указывается на любой элемент вида ZY + COMBIVU + указывается на элемент вида XY, на который нужно создать проекцию. Строится вспомогательная линия на виде ZY.

Функция AUXIVIEW используется для модификации параметров определенного вида (подфункция MODIFY) и для переноса элементов одного вида в другой (подфункция TRANSFOR). Подфункция MODIFY выполняет перенос вида на экране, его вращение, изменение масштаба на виде, изменение цены деления на осях вида.

Рассмотрим алгоритм изменения масштаба чертежа на виде:

Убедиться в том, что изменяемый вид - основной (см. работу функции COMBIVU) + AUXIVIEW + VIEW + SCALE + в командной строке вводится новый масштаб (масштаб 2:1 пишется "2", масштаб 1:2 пишется "0.5"), при этом слева от командной строки пишется старый масштаб вида.

Образмеривание чертежей осуществляется с помощью функции DIMENS2. Создание размеров обеспечивает подфункция CREATE. Данная подфункция обеспечивает создание следующих типов размеров: расстояние между двумя элементами, длина элемента, радиус, диаметр, угол, фаска. При создании размера на экране появляется временное окно, в котором находятся параметры образмеривания. В данном окне пользователь может задавать допуск на размер, вставлять в размерный текст символы и надписи, изменять шрифт размерного текста, задавать последний знак после запятой размера, изменять тип, расположение и параметры размерных и выносных надписей. При создании размера на диаметр, равно как и на радиус, можно задавать тип образмериваемого элемента: цилиндр или окружность.

Подфункция MODIFY обеспечивает изменение свойств уже созданного размера. Данная подфункция обеспечивает изменение следующих элементов размера: числового значения размера, выносных линий, размерных линий.

Текст и символы на чертеже создаются с помощью функции TEXTD2. Так же, как и в функции DIMENS2, в данной функции имеются две основные подфункции: CREATE и MODIFY. С помощью CREATE можно наносить текст, символы шероховатости, базовых поверхностей, отклонений.

MODIFY позволяет изменять содержание, положение и параметры наносимых обозначений и текста.

 

4.2.3 Создание трехмерной модели детали и построение на ее основе двухмерной геометрии

Для работы в трехмерном виде сначала нужно на нижней панели нажать кнопку SP. Затем также на нижней панели выбрать настройку панели функций для работы в трехмерном пространстве. Затем, используя алгоритм IMAGE + SCREEN + DEFINE, выбрать в появившемся временном окне режим "два окна" и указать: для первого окна - вид DR, для второго - вид XYZ. Можно приступать к созданию модели детали.

Первой стадией построения трехмерной модели любой детали является построение двухмерных контуров в трехмерном пространстве. Существуют два пути создания контуров в системе CATIA. Первый заключается в переносе созданных в двухмерном пространстве геометрических объектов в трехмерный вид. Для этого используется функция DRW>SPC. Алгоритм переноса геометрии из двухмерного окна в трехмерное следующий:

DRW" SPC + в командной строке указывается плоскость, в которой находится исходные построения (например, XY) + в двухмерном виде Ml указываются все геометрические объекты, подлежащие переносу + YES (означает конец операции переноса в данной плоскости) + указываем следующую плоскость, если требуется + повторяется алгоритм переноса.

Вторым способом создания двухмерной геометрии является построение таких объектов напрямую в трехмерном пространстве. Для этого используются следующие функции : POINT, LINE, CURVE, PLANE, LIMIT. Разница между такими же функциями из двухмерного режима заключается в подфункциях и способах задачи параметров, причем для функций POINT и LIMIT разница отсутствует вообще.

Для функции LINE существуют следующие подфункции: из точки в точку, параллельная, перпендикулярная, средняя, задание уравнением и касательная. Рассмотрим алгоритм построения перпендикулярного отрезка:

LINE + NORMAL + указывается Ml плоскость или два образующих плоскость элемента, к которой должен быть перпендикулярен отрезок + Ml указывается начало отрезка, если есть заранее построенная точка // в командной строке указываются три координаты точки начала отрезка + Ml указывается конец отрезка // в командной строке указываются координаты конца отрезка // в командной строке указывается длина отрезка.

Для функции CURVE разница заключается в том, что основным способом задания окружностей, эллипсов и кривых является указание координат точек, определяющих строимый объект: для окружности - три точки, для кривой - все точки.

Важной функцией в трехмерном режиме является функция построения плоскостей PLANE. Существуют следующие подфункции задания параметров плоскости: указанием образующих плоскость элементов, параллельная данной, перпендикулярная данной, заданием уравнения плоскости, вращением данной относительно оси. Рассмотрим алгоритм построения плоскости, параллельной относительно плоскости XY:

PLANE + PARALLEL + Ml указывается сначала одна ось плоскости, затем другая // в командной строке вводится XY + на экране появляется стрелка, указывающая направление, в котором относительно XY будет построена новая плоскость - Ml нажать на стрелку для ее поворота в обратное направление (если нужно) + в командной строке указывается расстояние, на котором находится новая плоскость относительно XY.

Неудобство задания параметров геометрии в трехмерном режиме в системе CATIA ликвидируется использованием временных рабочих плоскостей в трехмерном пространстве. Поясним эту возможность CATIA подробнее. На нижней кнопке существует кнопка, на которой стоит при обычном режиме работы надпись "3D". Нажатием на нее Ml на кнопке появляется "2D". Далее указываются два элемента, образующие плоскость или заранее построенная плоскость. В случае, если пользователь хочет работать в одной из главных плоскостей (XY,XZ,ZY), следует указать ту ось, которая не образует нужную плоскость. Например, если пользователь собирается работать в плоскости XY, нужно указать ось Z. Для возвращения в обычный режим, следует Ml указать на нижней панели кнопку "2D" и затем нажать Ml YES.

При выборе временной рабочей плоскости функции построения двухмерной геометрии переходят в двухмерный режим, то есть геометрия строится по алгоритмам, описанным в предыдущем разделе.

Основной функцией построения трехмерной геометрии является функция SOLIDE.

Данная функция фактически является единственной, отвечающей за построение и обработку модели детали. Первой подфункцией SOLIDE, отвечающей за построение твердых тел является CREATE. В этой подфункции существуют следующие опции по типам строимых твердых тел: призма (PRISM); тело вращения (REVOLUTION); цилиндр (CYLINDER); параллелограмм (CUBOID); сфера (SPHERE); труба (PIPE); тело, создаваемое вытягиванием контура (SWEEP); 11 и рами д a(PYR Л М ID).

Все вышеперечисленные тела, кроме куба и сферы, и задание их параметров приведены на листе № 10 графической части. Рассмотрим подробнее алгоритмы их построения. При указании типа твердого тела на экране появляется три временных окна: окно задания параметров данного солида, окно с иллюстрацией солида и чем являются задаваемые параметры и окно редактирования контура (об использовании этого окна будет рассказано позднее).

Построение призмы: SOLIDE + CREATE + PRISM + во временном окне задаются два параметра: OFFSET 1 (расстояние до первой границы призмы по нормали к контуру от плоскости контура, 40 мм) и OFFSET2 (расстояние до второй границы, -40 мм) + Ml указываются элементы контура (для всех твердых тел, когда строится контур, появляется временное окно с надписью "Auto search"; при нажатии Ml на это окно система автоматически определяет контур + YES, если выделенный контур является требуемым + YES (призма строится).

Построение тела вращения: SOLIDE + CREATE + REVOLUTION + Ml указывается ось вращения для создаваемого тела + указывается контур тела вращения + YES + YES

Построение цилиндра: SOLIDE + CREATE + CYLINDER + указывается плоскость, перпендикулярно которой строятся образующие цилиндра + во временном окне задаются следующие параметры: расстояние от исходной плоскости до начала образующих цилиндра (0 мм), расстояние от исходной плоскости до конца образующих цилиндра (85 мм), радиус начальной окружности цилиндра (23 мм), радиус конечной окружности цилиндра (33 мм). + YES.

Построение пирамиды: SOLIDE + CREATE + PYRAMID + в командной строке указываются координаты вершины пирамиды //Ml указывается заранее построенная точка вершины пирамиды + указывается контур пирамиды + YES + YES.

Построение тела, образуемого вытягиванием контура: SOLIDE + CREATE + SWEEP + указывается контур тела + указывается траектория, по которой будет осуществляться вытягивание + YES + YES.

Построение трубы: SOLIDE + CREATE + PIPE + указывается плоскость, в которой располагается начало трубы + указывается траектория вытягивания трубы + во временном окне задается радиус трубы (20 мм) + YES.

Построение параллелограмма: SOLIDE + CREATE + CUBOID + указывается базовая точка в командной строке или указанием Ml заранее построенной точки + указывается базовая плоскость + указываются во временном окне длины граней (по вертикали, по горизонтали и по нормали к базовой плоскости) + YES.

Построение сферы: SOLIDE + CREATE + SPHERE + указывается окружность, по которой будет строится сфера //(указывается точка центра сферы + во временном окне указывается радиус сферы) + YES.

Второй подфункцией SOLIDE является OPERATN. Данная подфункция осуществляет следующие операции с ранее построенными твердыми телами: сложение, вычитание, разделение солида, скругление ребра, образование фасок.

Для наглядности на листе № 11 графической части приведены примеры данных операций. На листе изображены две исходные модели (два тела вращения). Вторая исходная модель размножается вращением вокруг оси X (эта операция будет описана позже). Операция сложения имеет следующий алгоритм:

SOLIDE + OPERATN + UNION + Ml указывается первое тело + М2 указывается второе тело + YES.

Операция вычитания: SOLIDE + OPERATN + SUBSTRACT + Ml указывается тело, из которого производится вычитание + М2 указывается вычитаемое тело + YES.

Следующая операция - скругление ребер и граней: SOLIDE + OPERATN + FILLET + Ml указывается скругляемая грань (можно несколько граней) + в командной строке указывается радиус скругления (на листе радиус равен 3 мм) + YES.

Операция рассечения модели: SOLIDE + OPERATN + SPLIT + Ml указывается поверхность, плоскость (на листе это плоскость XY) + Ml указывается рассекаемый солид + YES.

Операция образования фасок: SOLIDE + OPERATN + CHAMFER + Ml указывается стачиваемая грань + задаются параметры фаски так же, как и в двухмерном пространстве (см. пункт 4.2.2) + YES.

Следующая описываемая подфункция - TRANSFOR - подфункция размножения солидов. Солиды размножаются переносом, вращением и зеркальным отображением относительно плоскости или оси. Опишем алгоритм размножения исходной модели №2:

SOLIDE + TRANSFOR + ROTATE + во временном окне указывается угол вращения (90°) и количество новых копий (3) + Ml указывается размножаемый солид (модель №2) и ось вращения (X) + YES. Размноженные копии и исходный солид являются единым со ли дом.

Следующая подфункция - это подфункция модифицирования модели MODIFY. Данная подфункция имеет две следующие опции: изменение геометрических параметров модели или ее частей, изменение взаимоотношений частей модели. Стоит подробнее рассказать об одной уникальной возможности CATIA - о древесной структуре модели (см. лист № 11 графической части). Древесная структура отражает историю создания модели. Ветвями являются части модели (в прямоугольниках написан тип солида и кодовый номер). На пересечениях ветвей стоит тип операции, которая была произведена с двумя пересекающимися солидами.

Опция изменения геометрических параметров имеет подопции переноса и вращения (TRANSLATE и ROTATE ). Эти опции действуют так же, как и опции того же названия подфункции TRANSFOR. Единственное различие состоит в том, что солид не размножается, а переносится. Другой подопцией является изменение геометрических параметров PARM. На примере призмы (см. лист № 9 графической части) рассмотрим изменение ширины призмы:

SOLIDE + MODIFY + GEOMETRY + PARM + Ml указывается призма + во временном окне параметры изменяются: OFFSET1 с 40 до 120 мм, OFFSET2 с -40 до -120 мм + YES.

Данные подопции могут применяться как к независимым солидам, так и к солидам, являющимся частями модели. Указание частей модели осуществляется указанием Ml на соответствующий солид во временном окне древесной структуры.

Опция MODIFY OPERATN изменяет древесную структуру модели и содержит три подопции: замены одного солида другим (REPLACE), исключения солида (DELETE), внедрения солида (INSERT). Рассмотрим алгоритм замены одного солида другим на примере, приведенном на листе № 11 графической части.

SOLIDE + MODIFY + OPERATN + REPLACE + в окне древесной структуры указываем заменяемый солид + на экране указываем заменяющий солид + YES.

В двухмерном режиме важной функцией является функция создания сечений на основе трехмерной модели AUXIVIEW2. Данная функция имеет две подопции: создания сечений USE и задания свойств сечений DEFAULT. На листе № 11 графической части изображены три типа сечений: главный вид, сечение и сечение с сохранением изображения модели за плоскостью сечения. Приведем алгоритм построения данных сечений.

Главный вид: AUXIVIEW2 + USE + на временном окне Ml открывается закладка NEW + в еще одном временном окне указывается PRIMARY VIEW + открывается закладка UPDATE + во временном окне указывается название плоскости // Ml указывается на экране плоскость главного вида (ZX) + YES.

Сечение: AUXIVIEW2 + USE + на временном окне Ml открывается закладка NEW + в еще одном временном окне указывается CROSS-SECTION VIEW + на экране указывается линия (см. лист № 11), образующая рассекающую плоскость + на этой линии появляются стрелки, которые показывают какая часть модели будет показана сечением + на экране М2 указывается точка центра нового вида + YES.

Сечение с сохранением изображения за плоскостью сечения строится по тому же алгоритму, что и простое сечение.

По результатам испытаний лопаток на усталость определяется предел выносливости, равный наибольшей амплитуде максимальных переменных напряжений, при которой выдерживают базу испытаний три лопатки. Дополнительно по результатам испытаний может проводится регрессионный анализ для расчета предела выносливости и циклической долговечности заданной вероятности разрушения и построения кривой усталости по параметру вероятностного разрушения.

Метод испытаний на усталостьПервой операцией является формирование хвостовика лопатки:

По перенесенным из двухмерного вида контуру хвостовика формируется контур призмы. Далее строится призма и производится вычитание призмы из модели отливки.

Следующая операция - формирование торцев замка. Также по контуру, сформированному по данным из двухмерного вида, строятся две призмы, и производится операция вычитания.

Далее следует обрезка гребешка пера. Операция аналогична предыдущим двум.

Следующая операция - рассечение полки со стороны корыта вспомогательной плоскостью. Вспомогательная плоскость строится по данным с чертежа лопатки.

Далее формируется вырез на полке со стороны корыта. Строится призма и производится вычитание.

Теперь формируются скругления радиусом 0.5 мм на внутренних гранях построенного в предыдущей операции выреза.

Следующая операция - формирование выреза на полке со стороны выходной кромки. Строится призма, и производится вычитание.

Последние две операции - построение двух скруглений внутреннем и внешнем ребре на построенном в предыдущей операции вырезе.

Глава 5. Промышленная экология и безопасность производства

 

5.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины. Определение основных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Разработка мер защиты

 

5.1.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины

Анализ технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА с точки зрения воздействия на окружающую среду и здоровье человека представим в виде таблицы.

Таблица 5.1: Анализ техпроцесса и вредных факторов на производстве.

Вид обработки

Оборудование

Материал

Воздействие на окружающую среду

Воздействие на здоровье человека

Заготовительная

Литьё по выплавляемым моделям

Установка для литья

Заготовка ЦНК-7П

Повышенная температура, высокий уровень теплового излучения, выделение вредных паров

Опасность ожогов, высокое световое излучение, опасность перегрева, опасность отравления вредными выделениями

012, 015, 020, 025, 030, 045, 070, 075, 080, 090.

Глубинное шлифование

Станок для глубинного шлифования ЛШ-220

Шлифовальный круг 180/А- 024, алмазный Правящий ролик 25П ЗИ31, СОЖ 3% Раствор Syntilio 81-Е

Выделение большого количества абразива, стружки, алмазной пыли и вредных паров; повышенная температура

Повышенный уровень шума и вибрации, опасность поражения кожного покрова и дыхательных путей вредными парами, пылью и абразивом; опасность механических повреждений тела и глаз стружкой и абразивом, опасность ожога и перегрева.

055, 073, 095

Полировальная

Полировальный станок 950/582

Гибкий круг 24А12…16ПМВ

Выделение большого количества абразива пыли, повышенная температура

Повышенный уровень шума и вибрации, опасность ожога и перегрева, поражение дыхательных путей и кожного покрова абразивом и пылью.

100,115

Промывка

Ванна

Горячая вода, спирт технический

Выделение вредных паров и эмульсий

Выделение вредных паров, Опасность попадания эмульсии на кожу.

125

Термическая (старение)

Специальная установка

Охлаждение в аргоне.

Высокая температура, выделение продуктов реакции.

Выделение вредных газов, опасность ожогов.

135, 165

ЛЮМ контроль

Специальная установка

Высокое излучение

Опасность облучения

145

Гидродробеструйное упрочнение

Установка ТП1126.25.150

Сталь Б1 … Б5, СОЖ-Трансформаторное масло по ГОСТ-982-80

Выделение вредных эмульсий, паров и газов

Выделение вредных эмульсий, паров и газов, вибрация и шум

5.1.2 Анализ вредных воздействий на окружающую среду и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования

Основными воздействиями на окружающую среду при выполнении данной операции являются следующие:

)        Выброс в атмосферу через систему вентиляции пыли, мелкого абразива, стружки, испарений масел и СОЖ. Для борьбы с этим видом загрязнения используют различные средства очистки. Для очистки от пыли используются пылеулавливатели, чьи действия основаны на действии сил тяжести и инерции. Также широко применяются фильтрационные системы. Важнейшим средством защиты атмосферы является герметичное закрытие рабочей зоны шлифовального станка.

)        Загрязнение сточных вод отработанными СОЖ. Для снижения вредного воздействия используют различные методы очистки сточных вод. Применяют механическую, физико-химическую, биологическую и биохимическую очистки. Также отработанную СОЖ можно утилизировать или сжигать.

)        Выброс твердых отходов производства (пыли, абразива и др.) в почву. В качестве средства борьбы оптимальным является утилизация отходов.

 

5.1.3 Анализ вредных воздействий на здоровье человека и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования

Рассмотрим опасности, возникающие для здоровья человека в процессе выполнения операции глубинного шлифования и методы борьбы с ними по пунктам:

1)         Передвижениечастей производственного оборудования, изделия и заготовки. Возникает опасность травм у оператора в случае попадания частей тела в зону обработки, раззакрепления детали, механической поломки станка. Для предотвращения этой опасности следует соблюдать следующие правила: надежно закреплять деталь; следить за состоянием станка и проводить профилактические меры по поддержанию работоспособности оборудования; следить за состоянием пола около станка; не производить никаких манипуляций в зоне обработки при работающем станке; не допускать появление посторонних лиц в рабочей зоне.

2)         Повышенное напряжение в электрической цепи или статического электричества; При обработке глубинным шлифованием детали лопатка турбины ТНА некоторые узлы станка, при его эксплуатации находятся под высоким напряжением до 2000В. Также накапливается статическое электричество, что может привести к короткому замыканию через тело оператора. Для обеспечения безопасности при его работе, необходимо предусмотреть: заземление оборудования; использование блокировок, исключающих проведение работ на узлах станка, находящихся под высоким напряжением; ограждения вокруг токопроводящих частей оборудования. Для защиты персонала необходимо использовать следующие средства: диэлектрические резиновые перчатки; инструменты с изолированными рукоятками; диэлектрические коврики.

3)         Стружка с обрабатываемой поверхности, осколки инструментов ( шлифовального круга и алмазного ролика); В результате обработки наиболее распространенными являются травмы глаз. Глаза повреждаются :отлетающей стружкой; пылевыми частицами обрабатываемого материала; осколками режущего инструмента; частицами абразива. Также возможны повреждения незащищенных частей тела. Для предотвращения травм следует одевать униформу из плотного материала, закрывающую тело; одевать специальные защитные очки; использовать пылестружкоулавливатели; использовать средства автоматической уборки стружки.

4)         Выделениев рабочую зону абразива и алмазной пыли, наличие СОЖ, повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны; При шлифовальной обработке в воздухе рабочей зоны образуется сложная смесь паров, газов, аэрозолей и являющихся химическими, вредными производственными факторами. В частности, очень вредной для организма является алмазная пыль, образующаяся в большом количестве в результате износа правящего ролика. Также аэрозоль нефтяных масел, входящих в состав смазочной охлаждающей жидкости (СОЖ), может вызывать раздражение верхних дыхательных путей, снижение иммунитета. При работе с СОЖ могут появиться у рабочего болезнетворные микроорганизмы и бактерии. Для снижения допустимых концентраций таких вредных веществ, как спирт , вредных веществ выделяющихся в помещении и оказывающих вредное воздействие не только на оператора, но и на состояние атмосферы должны соблюдаться следующие условия по использованию СОЖ:

—      проводить операции только в вытяжных шкафах;

—      текущий запас не должен превышать суточной потребности;

—      хранить жидкость в специальной таре, с плотно закрывающимися крышками имеющие этикетки с четкими названиями этих жидкостей; специальная тара с жидкостью должна храниться в вытяжном шкафу с плотно закрывающимися дверцами.

А также для защиты кожного покрова от воздействия смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ) и пыли токсичных металлов применяются следующие дерматологические защитные средства: пасты, мази, кремы.

Для индивидуальной защиты дыхательных путей от содержащихся в воздухе вредных веществ предусмотрены следующие средства: респиратор, изолирующий противогаз.

Для очистки воздуха необходимо предусмотреть комплекс производственной вентиляции. Для этого используются следующие средства: осевые и центробежные вентиляторы, воздухозаборники, вытяжные шкафы. Также следует использовать такие приборы , как пылеулавливатели, пылесосы и др.

5)         Высокая температура в зоне обработки; Приводит к перегреву и возникает опасность ожогов. Для нормального теплообмена также нужна система вентиляции.

6)         Недостаточная освещенность рабочей зоны; Слабая освещенность приводит к быстрой утомляемости и проблемам со зрением. В помещениях с недостаточным естественным светом и без естественного света должны применяться установки искусственного ультрафиолетового облучения. Для местного освещения следует применять светильники, установленные на металлорежущих станках и отрегулированные так, чтобы освещенность в рабочей зоне была достаточной для нормальной работы станочника.

7)         Высокий уровень шумов и вибраций; Шум отрицательно влияет на сердечно-сосудистую систему человека, на нервную систему, что приводит к потере концентрации. Вибрации разных частот также воздействуют отрицательно на разные органы человека. Для борьбы с шумами предусмотрены следующие меры защиты: звукоизоляция (ограждения, кабины, кожухи, экраны), звукопоглотители (облицовки), глушители (абсорбционные, реактивные, комбинированные). Для борьбы с вибрациями - виброизоляция (рабочих мест и источника вибрации) и виброгашение (динамические виброгасители и фундаменты).

5.2 Анализ и расчет освещённости рабочего места

 

5.2.1 Анализ освещённости рабочего места

Правильно спроектированное и выполненное освещение на предприятиях машиностроительной промышленности обеспечивает возможность нормальной производственной деятельности. Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы и безопасность на производстве в значительной мере зависят от условий освещения. От освещения зависят также производительность труда и качество выпускаемой продукции.

На машиностроительных предприятиях рекомендуется применять систему комбинированного освещения при выполнении точных зрительных работ (слесарные, токарные, фрезерные, контрольные операции и т. д.). Система общего освещения может быть рекомендована в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы, а также в административных, конторских, складских помещениях и проходных.

Рабочее освещение обязательно во всех помещениях и на освещаемых территориях для обеспечения нормальной работы, прохода людей и движения транспорта.

Эвакуационное освещение предусматриваем для эвакуации людей из помещений при аварийном отключении рабочего освещения в местах, опасных для прохода людей, на лестничных клетках, вдоль основных проходов производственных помещений, в которых работает более 50 человек. Эвакуационное освещение должно обеспечивать наименьшую освещенность в помещениях на полу основных проходов и на ступенях не менее 0.5 лк, а на открытых территориях - не менее 0.2 лк. Выходные двери помещений общественного назначения, в которых могут находиться одновременно более 100 человек, должны быть отмечены световыми сигналами-указателями.

Светильники аварийного освещения для продолжения работы присоединим к независимому источнику питания, а светильники для эвакуации людей - к сети, независимой от рабочего освещения, начиная от щита подстанции. Для аварийного и эвакуационного освещения применяем только лампы накаливания и люминесцентные.

В нерабочее время, совпадающее с темным временем суток, во многих случаях необходимо обеспечить минимальное искусственное освещение для несения дежурств охраны. Для охранного освещения площадок предприятий и дежурного освещения помещений выделим часть светильников рабочего или аварийного освещения.

В производстве возникает необходимость правильной организации освещения, как естественного (дневной свет), так и искусственного.

Свет оказывает положительное влияние на эмоциональное состояние человека, воздействует на сердечно-сосудистую систему, воздействует на обмен веществ. Свет является важным стимулятором деятельности организма человека в целом.

При плохой освещённости рабочего места состояние зрительных функций находится на низком уровне, в процессе выполнения работы повышается утомление зрения, снижается общая работоспособность человека. В свою очередь, при слишком ярком освещении возможны проявления отрицательного влияния на органы зрения человека, которые могут выражаться явлением слепимости т.е. временным нарушением зрительных функций.

Естественное освещение характерно при работе в дневное время суток, в помещениях в которых имеются световые проёмы оконных проёмах и дверных, в стенах и на крышах зданий.

Искусственное освещение применяют в ночное время, либо для компенсации недостаточного естественного освещения. Искусственное освещение менее благоприятно с физиологической точки зрения.

Искусственное освещение делится на общее, местное, комбинированное. На производстве предусмотрено также дежурное и охранное освещения.

Таблица 5.2. Освещенность (СниП 23-05-95)

Наименование операции	Минимальный размер объекта различия	Фон	Контраст	Разряд работ	Освещённость
					Общее	Мес тное	Естес- твенное	Совме-щённое
напыление	1 мм	Светлый	Средний	IV	300	100	150	5

5.2.2 Расчет на освещенность рабочего места

Естественное освещение характеризуется тем, что создаваемая освещенность изменяется в чрезвычайно широких пределах. Эти изменения обусловливаются временем дня, года и метеорологическими факторами: характером облачности и отражающими свойствами земного покрова. Поэтому естественное освещение нельзя количественно задавать величиной освещенности. В качестве нормируемой величины для естественного освещения принята относительная величина-коэффициент естественной освещенности КЕО, который представляет собой выраженное в процентах отношение освещенности в данной точке внутри помещения к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода. Таким образом, КЕО оценивает размеры оконных проемов, вид остекления и переплетов, их загрязнение, т. е. способность системы естественного освещения пропускать свет. Естественное освещение в помещениях регламентируется нормами СНиП 23.05-95.

Кроме количественного показателя-коэффициента естественной освещенности, нормируют качественную характеристику - неравномерность естественного освещения. Минимальное значение КЕО в производственных помещениях с верхним и комбинированным освещением не должно быть меньше нормированного значения при боковом освещении для аналогичной зрительной работы.

В современных осветительных установках, предназначенных для освещения производственных помещений, в качестве источников света применяют люминесцентные лампы.

Вычислим освещаемую площадь освещения, м²:

, (5.1)

где А и В - соответственно, длина и ширина помещения.

Для расчета освещения методом светового потока вычисляем индекс помещения:

(5.2)

С учетом i находим коэффициент светового потока h для ГЛ - h = 0,74.

По Табл. 4.6 находим Ф_л = 4800, для ЛБ (мощность = 65 Вт)

Минимальная мощность - Е_min = 300лк

,(5.3)

где К₃ = коэффициент запаса, учитывающий снижение освещенности при эксплуатации (К_з = 1,1 - 1,3);

Z - отношение средней освещенности к минимальной (обычно принимается равным 1,1 - 1,2); n_i - число ламп в светильнике;

h - коэффициент использования (выражается отношением светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и исчисляется в долях единиц; зависит от характеристик светильника, размеров помещения, окраски стен и потолка).

. Определяем фактическую освещенность, лк, по формуле:

 лк.

Таблица 5.3. Освещённость (СНиП 23-05-95).

Лампы накаливания, 220 В			Люминесцентные лампы
Тип	Мощность, Вт	Световой поток, лм	Тип	Мощность, Вт	Световой поток, лм
В,Б	25	230	ЛДЦ(ЛБ)	15	600,820
Б(БК)	40	415,460	ЛДЦ(ЛД)	30	1500,1800
5(БК)	60	715,790	ЛХБ	30	1940,2020
Б(БК)	75	950,1020	ЛБ	30	2180
Б(БК)	100	1350,1450	ЛДЦ(ЛД)	40	2200,2500
Б,Г	200	2920	ЛХБ(ЛБ)	40	3000,3200
Г	300	4610	ЛД(ЛБ)	65	4000,4800
Г	500	8300	ЛДЦ(ЛД)	80	3800,4300
Г	1000	18600	ЛХБ(ЛБ)	80	5040,5400

5.3 Вентиляция производственного помещения

Для обеспечения безопасных условий труда на рабочем месте помещение оборудовано:

системой вентиляции

системой пожаротушения

Здоровье и работоспособность человека напрямую зависят от атмосферы, в которой он находится, от условий микроклимата и воздушной помещения, где он проводит своё время. За сутки человек потребляет 3 кг пищи и 15 кг воздуха. Свежесть и чистота, температура и влажность воздуха в помещении обеспечивается системами кондиционирования и вентиляции. Поэтому данные инженерные системы становятся всё более распространёнными. Они всё больше обуславливают комфорт нашей жизни.

Вентиляция - совокупность мероприятий и устройств, используемых при организации воздухообмена для обеспечения заданного состояния воздушной среды в помещениях и на рабочих местах в соответствии со СНиП (Строительными нормами).

Система вентиляции - это комплекс архитектурных, конструктивных и специальных инженерных решений, который при правильной эксплуатации обеспечивает необходимый воздухообмен в помещении.

Вентиляционная система - это инженерная конструкция, которая имеет определённое функциональное назначение (приток, вытяжка, местный отсос и т. п.) и является элементом системы вентиляции.

Системы вентиляции создают условия для обеспечения технологического процесса или поддержания в помещении заданных климатических условий для высокопродуктивной работы человека. В первом случае система вентиляции будет называться технологической, а во втором - комфортной.

Технологическая вентиляция обеспечивает в помещении заданный состав воздуха, его температуру, влажность, подвижность в соответствии с требованиями технологического процесса. Особенно высоки эти требования в цехах таких производств, как радиотехническая, электровакуумная, текстильная, химико-фармацевтическая промышленность, хранилища сельскохозяйственной продукции, архивы, помещения, в которых хранятся исторические ценности (музеи, галереи, памятники старины), и др.

К вентиляционным технологическим системам относятся такие, которые обеспечивают пневмотранспорт сыпучих и легковесных материалов (мука, цемент, зерно и т. п.) или удаляют производственную пыль, выделяющуюся от пылящего оборудования (места пересыпки сыпучих материалов, выбивки в литейных цехах, конвейеры сыпучих материалов и т. п.). Эти системы называются аспирационными системами.

Комфортная вентиляция должна обеспечить благоприятные санитарно-гигиенические условия для работающих в этих помещениях людей.

Санитарные условия, или микроклимат, помещения характеризуются температурой внутреннего воздуха, температурой внутренних поверхностей ограждающих конструкций, относительной влажностью воздуха соответствует установленным нормам. Сочетание указанных параметров, обеспечивающее наилучшее самочувствие и наивысшую работоспособность человека, называют комфортными условиями.

Требуемые метеорологические условия в помещениях должны быть обеспечены в рабочей зоне помещения или на рабочих местах. За рабочую зону принимают пространство высотой 2 м. от уровня пола или площадки, на которой находится рабочее место.

Для нормального самочувствия человека необходимо, чтобы был обеспечен постоянный отвод выделяемого им тепла.

Теплоотдачу человека в окружающую среду в большой степени зависит о температуры окружающего воздуха, относительной влажности, т. е. от метеорологических условий, создаваемых системами комфортной вентиляции.

По способу создания давления для перемещения воздуха системы вентиляции разделяют на системы с естественным и искусственным механическим побуждением.

Механическая вентиляция.

Естественная вентиляция, зависящая от температуры наружного воздуха и скорости ветра, не всегда может обеспечить нужный воздухообмен. Поэтому там, где необходимо удалить из помещения строго определенное количество воздуха и заменить его таким же по объёму количеством, широко используют механическую вентиляцию.

При механической вентиляции в цех или непосредственно к рабочему месту подают необходимое количество воздуха заранее заданной температуры и влажности, чтобы обеспечить условия для нормального технологического процесса или выполнить требования, предъявляемые санитарными нормами.

Вытяжные системы механической вентиляции удаляют запыленный или загрязнённый газами воздух на любое расстояние от рабочего места или цеха, а также очищают воздух от пыли перед выбрасыванием его в атмосферу. Приточные и вытяжные системы могут быть включены и выключены в любое время, их работу контролирует обслуживающий персонал. В силу этих преимуществ механическая вентиляция находит более широкое применение, чем естественная.

В механических системах вентиляции используются оборудование и приборы (вентиляторы, электродвигатели, воздухонагреватели, пылеуловители, автоматика и др.), позволяющие перемещать воздух на значительные расстояния. Затраты электроэнергии на их работу могут быть довольно большими. Такие системы могут подавать и удалять воздух из локальных зон помещения в требуемом количестве, независимо от изменяющихся условий окружающей воздушной среды. При необходимости воздух подвергают различным видам обработки (очистке, нагреванию, увлажнению и т. д.), что практически невозможно в системах с естественным побуждением.

Часто используют смешанную вентиляцию, т. е. одновременно естественную и механическую вентиляцию.

В каждом конкретном проекте определяется тип вентиляции, который является наилучшим в санитарно-гигиеническом отношении, а также технически и экономически более рациональным.

Классификация вентиляционных систем по назначению.

Вентиляционные системы можно по назначению разделить на приточные и вытяжные. Приточные системы служат для подачи в вентилируемые помещения чистого воздуха взамен загрязнённого. При этом в необходимых случаях приточный воздух может подвергаться обработке, например, очистке, нагреванию и увлажнению.

Система приточной вентиляции состоит из воздухоприёмного устройства, приточной камеры, сети воздуховодов и устройств подачи воздуха в помещение.

Приточная система вентиляции.

1. Устройство забора.

2. Устройство очистки.

3. Система воздуховодов.

4. Вентилятор.

5. Устройство подачи на раб. место.

К устройствам местной приточной вентиляции относятся воздушные души, воздушные завесы и воздушное отопление.

Воздушный душ - устройство в системе местной приточной вентиляции, обеспечивающее подачу сосредоточенного потока воздуха. Подаваемый воздух создаёт в зоне непосредственного воздействия этого потока на человека условия воздушной среды, соответствующие гигиеническим требованиям.

Воздушные и воздушно-тепловые завесы устраивают для того, чтобы холодный воздух в зимнее время не проникал через открытые двери в общественные здания через открытые двери в общественные здания и через ворота в производственные помещения промышленных сооружений. Воздушная завеса - это плоская струя воздуха, которая подаётся с боков ворот или дверей под некоторым углом навстречу наружному холодному воздуху. Для воздушно-тепловой завесы подаваемый вентилятором воздух дополнительно подогревается.

В системах воздушного отопления воздух нагревается в калориферах до определённой температуры, а затем подаётся в помещение. В калориферах воздух нагревается горячей или перегретой водой, паром или горячими газами.

Вытяжная вентиляция служит для удаления из помещения загрязненного или нагретого отработанного воздуха. К вытяжным вентиляционным системам промышленной вентиляции относят системы аспирации или пневматического транспортирования сыпучих материалов, а также отходов производства - пыли, стружек, опилок и пр. Эти материалы перемещают по трубам и каналам потоком воздуха.

Система вытяжной вентиляции.

1.       Устройство для удаления воздуха.

2.       Вентилятор.

.        Система воздуховодов.

.        Пыле- и газоулавливающие устройства.

.        Фильтры.

.        Устройство для выброса воздуха.

В системах аспирации применяют специальные вентиляторы, очистные устройства, пылеприёмники и другое оборудование. Системы аспирации широко применяют на деревообрабатывающих предприятиях для удаления стружек и опилок от станков, на элеваторах для погрузки зерна в транспортные средства, на цементных заводах при погрузке цемента, в литейных цехах для транспортирования песка и горелой земли.

В общем случае в помещении предусматриваются как приточные, так и вытяжные системы. Их производительность должна быть сбалансирована с учетом возможности поступления воздуха в смежные помещения или из смежных помещений. В помещениях может быть также предусмотрена только вытяжная или только приточная система. В этом случае воздух поступает в данное помещение снаружи или из смежных помещений через специальные проемы или удаляется из данного помещения наружу, или перетекает в смежные помещения.

Классификация вентиляционных систем по зоне обслуживания.

Как приточная, так и вытяжная вентиляция может устраиваться на рабочем месте (местная) или для всего помещения (общеобменная).

Местной вентиляцией называется такая, при которой воздух подают на определенные места (местная приточная вентиляция) и загрязненный воздух удаляют только от мест образования вредных выделений (местная вытяжная вентиляция).

Местная приточная вентиляция.

К местной приточной вентиляции относятся воздушные души (сосредоточенный приток воздуха с повышенной скоростью). Воздушные души подают чистый воздух к постоянным рабочим местам, снижают в их зоне температуру окружающего воздуха и обдувают рабочих, подвергающихся интенсивному тепловому облучению.

Также к местной приточной вентиляции относятся воздушные оазисы - участки помещений, отгороженные от остального помещения передвижными перегородками высотой 2-2,5 м, в которые нагнетается воздух с пониженной температурой.

Местную приточную вентиляцию применяют также в виде воздушных завес, создающие воздушные перегородки или изменяющие направление воздушных потоков.

Местная вентиляция требует меньших затрат, чем общеобменная. В производственных помещениях при выделении вредностей (газов, влаги, теплоты и т. п.) обычно применяют смешанную систему вентиляции - общую для устранения вредностей во всем объеме помещения и местную (местные отсосы и приток) для обслуживания рабочих мест.

Местная вытяжная вентиляция.

Местную вытяжную вентиляцию применяют, когда места выделений вредных веществ, пыли, опилок и т. д. в помещении локализованы, и можно не допустить их распространения по всему помещению.

Местная вытяжная вентиляция в производственных помещениях обеспечивает улавливание и отвод вредных выделений: газов, дыма, пыли и частично выделяющегося от оборудования тепла. Для удаления вредностей применяют местные отсосы (укрытия в виде шкафов, зонты, бортовые отсосы, завесы, укрытия в виде кожухов у станков и др.). Основные требования, которым они должны удовлетворять:

Место образования вредных выделений по возможности должно быть полностью укрытым.

Конструкция местного отсоса должна быть такой, чтобы отсос не мешал нормальной работе и не снижал производительность труда.

•Вредные выделения необходимо удалять от места их образования в направлении их естественного движения (горячие газы и пары надо удалять вверх, холодные тяжелые газы и пыль - вниз).

Конструкции местных отсосов условно делят на три группы:

Полуоткрытые отсосы (вытяжные шкафы, зонты).

Открытого типа (бортовые отсосы). Отвод вредных выделений достигается лишь при больших объемах отсасываемого воздуха.

Основными элементами такой системы являются местные отсосы - укрытия, всасывающая сеть воздуховодов, вентилятор центробежного или осевого типа, вытяжная шахта.

При устройстве местной вытяжной вентиляции для улавливания пылевыделений удаляемый из цеха воздух, перед выбросом его в атмосферу, должен быть предварительно очищен от пыли. Наиболее сложными вытяжными системами являются такие, в которых предусматривают очень высокую степень очистки воздуха от пыли с установкой последовательно двух или даже трех пылеуловителей (фильтров).

Местные вытяжные системы высокоэффективны, так как позволяют удалять вредные вещества непосредственно от места их образования или выделения, не позволяя им распространяться по помещению. Благодаря значительной концентрации вредных веществ (паров, газов, пыли), обычно удается достичь хорошего санитарно-гигиенического эффекта при сравнительно небольшом объеме удаляемого воздуха.

Однако местные системы не могут решить всех задач, стоящих перед вентиляцией. Не все вредные выделения могут быть локализованы этими системами. Например, когда вредные выделения, рассредоточены на значительной площади или в объеме; подача воздуха в отдельные зоны помещения не может обеспечить необходимые условия воздушной среды, то же самое, если работа производится на всей площади помещения или ее характер связан с перемещением и т. д.

Станок ЛШ-220 автоматизирован так же оснащен системами собственной зашиты:

средствами тепло-звуко-вибро-защиты

электронными блоками с предохранителями

системой сигнализации

системой контроля и аварийного отключения

5.4 Меры противопожарной защиты

Пожары являются самой распространенной из нештатных ситуаций, возникающих в процессе производства. во время технологического процесса изготовления лопатки турбиныТНА возникают следующие факторы возникновения пожара: использование в качестве СОЖ горючих веществ; образование воспламеняющихся веществ из смеси стружки, абразива и смазывающе-охлаждающей жидкости ; высокая температура в зоне резания при механической обработке; использование горючих жидкостей при проведении операции обезжиривания; частое применение в процессе производства лопатки электрических приборов.

Основными системами пожарной безопасности являются системы предотвращения пожара и противопожарной защиты.

Предотвращение пожара достигается следующими средствами: устранением образования горючей среды; устранением образования в горючей среде (или внесения в нее) источника зажигания; поддержанием температуры горючей среды ниже максимально допустимого; поддержанием давления горючей среды ниже максимально допустимого и другими мерами.

Систему противопожарной защиты составляет комплекс организационных и технических средств, направленных на предотвращение воздействия на людей опасных факторов пожара и ограничение материального ущерба от него. Противопожарная защита обеспечивается: максимально возможным применением негорючих и трудногорючих материалов; ограничением количества горючих веществ и их размещения; изоляцией горючей среды; предотвращением распространения пожара за пределы очага; применением средств пожаротушения; применением конструкции объектов с высокими пределами огнестойкости; эвакуацией людей; системами противодымной защиты; применением средств пожарной сигнализации; организацией пожарной охраны промышленных объектов.

Рассмотрим выше перечисленные средства подробнее. Ограничение горючих средств и их размещения достигается регламентацией количества горючих веществ в помещении, наличием аварийного слива пожароопасных жидкостей и аварийного стравливания горючих газов из оборудования; периодичностью очистки помещений, оборудования и коммуникаций от горючих отходов; регламентацией числа рабочих мест, на которых используются пожароопасные вещества; выносом пожароопасного оборудования в отдельные помещения и на открытые площадки.

Изоляция горючей среды обеспечивается следующими средствами: максимальной автоматизацией и механизацией технологических процессов, связанных с применением пожароопасных веществ; применением для таких веществ герметичного оборудования; применением устройств защиты производственного оборудования с пожароопасными веществами от повреждений и аварий; применением изолированных отсеков, камер и т.п.

Предотвращение распространения пожара обеспечивается: устройством противопожарных преград; установлением предельно допустимых площадей противопожарных отсеков и секций; устройствами аварийного отключения и переключения оборудования и коммуникаций; применением средств, предотвращающих разлив пожароопасных жидкостей при пожаре; применением огнепреграждающих устройств (огнепреградителей, клапанов, заслонок и т.п.); применением разрывных мембран на агрегатах и коммуникациях.

Организационно-технические мероприятия включают организацию на производстве службы пожарной охраны предприятия; паспортизацию веществ, материалов, изделий, технологических процессов, зданий и сооружений в части обеспечения пожарной безопасности; организацию обучения работающих правилам пожарной безопасности; разработку инструкций о порядке обращения с пожароопасными веществами и материалами и т.п.

Рассмотрим средства пожаротушения, используемые на производстве. На предприятиях широко используются установки водяного, пенного, парового, газового и порошкового пожаротушения. Тушение пожара водой является наиболее дешевым и распространенным средством. Для тушения большинства твердых горючих веществ и материалов вода подается в виде компактных и распыленных струй их лафетных и ручных пожарных стволов. Сплинкерные установки, состоящие из системы водопроводных труб, расположенных под потолком, являются автоматическими и используются в отапливаемых помещениях. Также системой труб являются дренчерные установки. Их отличие от сплинкерных в том, что они являются ручными.

Химическая пена используется для тушения легковоспламеняющихся веществ и подается из огнетушителей. Воздушно-механическую пену используют для тушения закрытых объемов, благодаря ее способности длительно сохранять свою структуру и быстроте подачи.

Водяной пар используется в помещениях объемом до 500 м. Для этих целей используется перегретый насыщенный или отработанный водяной пар.

Пожаротушение газом используется для тушения разного технологического оборудования при невозможности применения других средств, например, когда в работе агрегата используется масло. В качестве газа применяются инертные газы.

Для ликвидации небольших загораний, не поддающихся тушению другими средствами (расплавленного металла, например), используется в качестве средств порошковые. К ним относятся хлориды щелочных и земельно-щелочных металлов, карнолит, поташ и др.

5.5 Выводы по результатам анализа вредных и опасных факторов

Выполненный анализ опасных и вредных факторов, возникающих при выполнении работ, показал, что по микроклимату, производственному шуму, травмоопасности, электробезопасности и производственным вибрациям рабочее место соответствует требованиям СНиП.

Помещение соответственно оборудовано для обеспечения безопасности условий труда.

Вывод: При выполнении анализа условий работы рабочее место оператора полностью соответствует требованиям СНиП.

Глава 6. Расчет экономической эффективности внедрения нового технологического процесса

Новый технологический процесс производства рабочей лопатки турбины ТНА установки отличается от базового тем, что в базовом техпроцессе механическая обработка хвостовика лопатки осуществлялась фрезерованием и последующим шлифованием, а в новом техпроцессе вся механическая обработка заключается в глубинном шлифовании. Рассчитаем, является ли внедрение нового технологического процесса экономически обоснованным. Для признания внедрения обоснованным нужно, чтобы годовой экономический эффект был больше нуля.

 

6.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА

 

6.1.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в проектируемом варианте

На основании данных таблицы 1 определяются нормы времени на проектирование ТП (таблица 3.1.). Для расчета по методическим рекомендациям таблицы 2 выполняется перевод замещаемых операций технологического процесса в условные операции и определение трудоемкости разработки пооперационной технологии.

Нормы времени на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА.

Таблица 6.1.

№	Этап работ	Единица измерения	Количество	Норма времени
1	Оценка технологичности и выбор типового ТП	проект	1	11,52
2	Разработка маршрутной технологии	проект	1	19,23
3	Разработка операционной технологии	условная операция	18	4,00
4	Участие в отладке ТП	проект	1	34,56
5	Корректировка документации	проект	1	11,52

Норма времени на участие в отладке t₄ и корректировке документации t₅ рассчитываются по методическим указаниям :

t_i = t_ТП · Г_С · К_Сi,(3.1)

где t_ТП - трудоемкость разработки ТП; Г_С - категория сложности проекта от 1(А) до 5 (Д); К_Сi - коэффициент затрат этапа i.

t₄ = 18 × 4 · 0,12 · 4 = 34,56 час.

t₅ = 18 × 4 · 0,04 · 4 = 11,52 час.

Общая трудоемкость разработки проектируемого технологического процесса:

t_ТП = 11,52 +19,23 + 72 + 34,56 + 11,52 = 148,83 час.

Затраты на основную заработную плату проектировщиков ТП З_О и трудоемкость каждого этапа работ распределяется между исполнителями, привлекаемыми для разработки определяются по методическим указаниям таблицы 3 и 4. Определение затрат на основную заработную плату при проектировании технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА.

Таблица 6.2.

№	Этап работ	Суммарная трудоемкость этапа, н. час.	Категория рабо-таюших	Тариф-ная ставка, руб/ час.	Трудоемкость по категориям работающих, н. час.	Заня-тость в чел./ мес.	Затраты на основную зарплату, руб.(З0)
1	Оценка технологичности и выбор типового ТП	11,52	Технолог	180	11,52	1	2070
2	Разработка маршрутной технологии	19,23	Технолог	180	4	1	1440
			Н.ТБц	200	1	1	200
			Инж. ОГТ	172	12	1	2064
			Гл. техн.	320	2,23	1	713.6
3	Разработка операционной технологии	Технолог	180	56	1	10080
			Н.ТБц	200	8	1	1600
			Техн. ОГТ	172	8	1	1376
4	Участие в отладке ТП	34,56	Технолог	180	34,56	1	6220.8
5	Корректировка документации	11,52	Технолог	180	11,52	1	2073.6
	ИТОГО	148,83	-	-	-	4	27121.6

Общие затраты на проектирование T_тех должны учитывать дополнительную зарплату З_Д, отчисления на социальные нужды О_С, косвенные расходы Е_К, а также материальные затраты, связанные с проектными и экспериментальными работами Е_М, в соответствии с методическими указаниями определяются по формулам:

З_Д = 0,2 × З_О = 0,2 × 27121.6 = 5424.3 руб.

О_С = 0,30 × (З_О + З_Д)= 0,26 × (27121.6 + 5424.3) = 8463 руб.

Е_К = К_К × З_О/100 = 65 × 27121.6 /100 = 17629 руб.,

где К_К = (45¸80)% - коэффициент косвенных расходов.

З_М = 0,03 × З_О = 0,03 × 27121.6 = 813.6 руб.

Определение общих затрат на проектирование Е_пр.

Е_пр = З_О + З_Д + О_С + Е_К + З_М = 49550 руб.

Смета затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА.

Таблица 6.3

№	Наименование статей затрат	Сумма затрат, руб.	Проценты к итогу
1	Основная зарплата при проектировании	27121.6	45,6
2	Дополнительная зарплата	5424.3	9,1
3	Отчисления на социальные нужды	8463	14,2
4	Косвенные расходы	17629	29,7
5	Материальные затраты, связанные с проектными и экспериментальными работами	813.6	1,4
Итого:		49550	100

6.1.2 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в базовом варианте

На основании данных таблицы 1 определяются нормы времени на проектирование ТП (таблица 6.4.). Для расчета по методическим рекомендациям выполняется перевод замещаемых операций технологического процесса в условные операции и определение трудоемкости разработки пооперационной технологии.

Нормы времени на проектирование базового технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА.

Таблица 6.4.

№	Этап работ	Единица измерения	Количество	Норма времени
1	Оценка технологичности и выбор типового ТП	проект	1	11,52
2	Разработка маршрутной технологии	проект	1	19,23
3	Разработка операционной технологии	условная операция	27	4,00
4	Участие в отладке ТП	проект	1	51,84
5	Корректировка документации	проект	1	17,28

Норма времени на участие в отладке t₄ и корректировке документации t₅ рассчитываются:

t₄ = 27 × 4 · 0,12 · 4 = 51,84 час.

t₅ = 27 × 4 · 0,04 · 4 = 17,28 час.

Общая трудоемкость разработки базового ТП:

t_ТП = 11,52 +19,23 + 108 + 51,84 + 17,28 = 207,87 час.

Для определения затрат на основную заработную плату проектировщиков ТП З_О трудоемкость каждого этапа работ распределяется между исполнителями, привлекаемыми для разработки в соответствии с таблицами 6.3, 6.4 результаты приведены в таблице 6.5.

Определение затрат на основную заработную плату при проектировании базового технологического процесса лопатки турбины ТНА.

Таблица 6.5.

№	Этап работ	Суммарная трудоемкость этапа, н. час.	Катего-рия рабо-таюших	Тариф-ная ставка, руб/ час.	Трудоемкость по категориям работающих, н. час.	Заня-тость в чел./ мес.	Затраты на основную зарплату, руб.(З0)
1	Оценка технологичности и выбор типового ТП	11,52	Технолог	180	11,52	1	1036,8
2	Разработка маршрутной технологии	19,23	Технолог	180	4	1	360
			Н.ТБц	200	1	1	100
			Инж. ОГТ	172	12	1	1032
			Гл. техн.	320	2,23	1	356,8
3	Разработка операционной технологии	108	Технолог	180	68	1	12240
			Н.ТБц	200	8	1	800
			Техн. ОГТ	172	8	1	688
4	Участие в отладке ТП	51,84	Технолог	180	51,84	1	9233
5	Корректировка документации	17,28	Технолог	180	17,28	1	1410
	ИТОГО	207,87	-	-	-	4	33428.8

Общие затраты на проектирование рассчитываются по формулам (3.2), (3.3), (3.4), (3.5):

З_Д = 6685.76 руб.

О_С = 12788.7 руб.

Е_К = 21728 руб.

З_М = 1002.80 руб.

Общие затраты на проектирование по формуле (4.6).

Е_пр = 55634.82 руб.

Смета затрат на проектирование базового технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА.

Таблица 6.6.

№	Наименование статей затрат	Сумма затрат, руб.	Проценты к итогу
1	Основная зарплата при проектировании	33428.8	44,2
2	Дополнительная зарплата	6685.76	8,8
3	Отчисления на социальные нужды	12788.7	16,9
4	Косвенные расходы	21728	28,7
5	Материальные затраты, связанные с проектными и экспериментальными работами	1002.80	1,3
Итого:		55634.82	100

6.2 Расчет годового экономического эффекта от внедрения нового технологического процесса

 

6.2.1 Расчет затрат на материал

Затраты на материал одной лопатки рассчитываются по формуле:

 

Где:

 - вес заготовки, кг;

 - цена материала, руб/кг;

 - вес отходов, кг;

 - цена отходов, руб/кг;

- коэффициент транспортно-заготовительных расходов.

Для обоих техпроцессов:

 = 600 руб/кг;

Цотх= 90 руб/кг;

Ктр= 1.05.

Для базового техпроцесса:

 = 0.65 кг;

 = 0. 19 кг.

Для нового техпроцесса:

 = 0.60 кг;

 = 0.16 кг.

Тогда:

 

 

6.2.2 Расходы на зарплату

Расходы на зарплату в процессе производства партии складываются из зарплат рабочим  и зарплат инженерам  :

 

 = 1.3- отчисления в тарифный фонд.

Для базового техпроцесса:

 = 2387 руб.

 = 1351 руб.

 

Для нового техпроцесса:

 = 1826 руб.

 = 1034 руб.

 

6.2.3 Затраты на производственную площадь

Затраты на производственную площадь рассчитываются по формуле:

 

F - площадь производственного цеха, м²

= 3.5 руб - цена 1 м² производственной площади за 1 час эксплуатации - время одного цикла производства детали

Для базового техноло68гического процесса:

F = 260 м² ;= 0.98 часа.

 

Для нового технологического процесса:

F = 205 м² ; = 0.75 часа.

 

6.2.4 Расчет затрат на эксплуатацию оборудования

 

 - число единиц оборудования данного типа;

 - стоимость эксплуатации 1 часа единицы оборудования данного типа;

 - среднее время эксплуатации одной единицы оборудования данного типа на 1 партию деталей при условии непрерывного производства;

Для базового технологического процесса:

а) Фрезерные станки:  = 6; = 240 руб/час.;

б)Шлифовальные станки:  = 4; = 200 руб/час.;

в)Полировальные станки: = 2 ; = 140 руб/час.;

Для нового технологического процесса:

а)Станки для глубинного шлифования:  = 8;  = 220 руб/час.;.

б)Полировальные станки:  = 2 ; = 200 руб/час.;

в)Гидродробеструйная установка:  = 1 ; = 120 руб/час.;

Тогда:

 

 

6.2.5 Расчет энергетических затрат

 

Где:

 - энергоемкость техпроцесса,

., тарифы на электроэнергию,

 

 

 

 

 

6.2.6 Расчет себестоимости техпроцессов и экономического эффекта от внедрения

Также ниже приведены расходы на инструмент и оснастку:

 

 

Прочие расходы: 

 

Тогда себестоимость производства одной лопатки турбины для базового и нового ТП составит:

 

 

Эффект от внедрения нового технологического процесса (за 1 лопатку) составляет:

 

Годовой экономический эффект в случае непрерывного производства (где t - годовой фонд рабочего времени) :

 

Реальный годовой экономический эффект будет зависеть от объема заказа на изготовление лопаток.

Рассмотрим экономический эффект при годовом заказе n = 16000 лопаток.

Тогда эффект составит:

 

 

6.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового технологического процесса

6.3.1 Расчет капиталовложений в оборудование

Расчет капиталовложений в производственное оборудование ведется по формуле:

 

Где:

- число единиц оборудования данного типа;

 - стоимость единицы оборудования данного типа, тыс.руб.

Для базового технологического процесса:

а)Фрезерные станки:  = 6;  = 200 тыс. руб.

б)Шлифовальные станки:  = 4;  = 360 тыс. руб.

в)Полировальные станки:  = 2;  = 180 тыс. руб.

 

Для проектируемого технологического процесса:

а)Станки для глубинного шлифования:  = 8;  = 220 тыс. руб.

б)Полировальные станки:  = 2; = 180 тыс. руб.

в)Гидродробеструйная установка:  = 1; = 150 тыс. руб.

 

6.3.2 Расчет затрат на освоение новой технологии

Расчет затрат на освоение новой технологии ведется по формуле:

 

Где:

 - затраты на исследования;

 - затраты на опытные работы.

- затраты на разработку техпроцесса (см. выше.)

Для базового ТП:

 ⁼ 295000 руб.;

 = 196000 руб.

= 56000 руб.

 

Для нового ТП:

 ⁼ 598000 руб.;

 = 305000 руб.

 

 

 

6.3.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового ТП

Также осуществляются следующие капиталовложения для базового и нового ТП:

А) Затраты на инструмент.

Для базового ТП:

Для нового ТП:

Б) Затраты на технологическую оснастку.

Для базового ТП:

Сумма капиталовложений для нового и базового ТП:

 

 

Время окупаемости (для годового заказа n=16000 лопаток) рассчитывается по формуле (капиталовложения/годовой экономический эффект):

 

Показатель 2,4 года является высоким, что подтверждает, что внедрение данного ТП, а в частности, технологии глубинного шлифования, явилось крайне важным в производстве лопаток газовых турбин.

Выводы по работе

В данной работе был рассмотрен относительно новый технологический процесс производства рабочей лопатки турбины ТНА ЖРД РД-180. Благодаря применению литья без припуска на механическую обработку пера и операции глубинного шлифования позволило отказаться от фрезерования, что значительно снизило трудоемкость и себестоимость технологического процесса изготовления детали. Проблема снижения предела выносливости изделия, вызванная применением материала ЦНК-7П, обладающего более высокой пористостью, чем используемый в предыдущем техпроцессе деформируемый сплав ЭИ-893, была решена с помощью операции гидродробеструйной обработки замка лопатки. Благодаря этой операции предел усталостной прочности повысился с 180 до 240 МПа. Вместе с тем переход на данную технологию для российских предприятий замедлен, так как у нас в стране нова технология литья турбинных лопаток длиной более 200 мм. Но применение глубинного шлифования уже широко используется в производстве газотурбинных агрегатов и приносит прибыль нашим предприятиям.

Также в данном проекте подробно была рассмотрена система автоматизации производства CATIA. Проблема создания или внедрения программных продуктов уровня СATIА является актуальной для нашего производства. Такие системы позволили значительно повысить производительность при производстве совершенно разных деталей в разных отраслях. На современном производстве рассмотренная в нашем дипломном проекте операция создания трехмерной модели является основной на этапе конструкторского проектирования.

Развитие в производстве невозможно без обеспечения экологической чистоты и безопасности производства. Поэтому повышение внимания к проблемам экологии становится просто необходимым условиям вхождения нашего государства в мировой рынок как равноправного члена. Рассмотренная технология производства лопатки отвечает мировым требованиям по безопасности и экологии производства.

Литература и другие источники

1.  ’’Справочник технолога машиностроителя" - в 2-х томах, под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова, "Машиностроение", 2003 г.

2.  "Курсовое проектирование по предмету технология машиностроения" - Добрыднев И.С. - учебное пособие, "Машиностроение", 1985 г.

3.  "Новые технологии в производстве ГТД" - "Рыбинские моторы", 2005 г.

4.       "Расчет механизмов передачи силы, приводов зажимных устройств" - методические указания, Иванов. А.П., Павлов Ю.И., Самарина JI.A., МАТИ, кафедра "ТПДЛА", 1982.

5.  Расчет затрат на создание и оценка эффективности внедрения технологических процессов изготовления и испытания элементов летательных аппаратов с применением ПЭВМ. Методические указания к выполнению организационно-экономического раздела дипломного проекта". Г.А. Лавреньев, Н.П. Совохина. М.: МАТИ 2003.

6.       Экономика и организация производства в дипломных проектах по технологическим специальностям: Учеб. пособие / Геворкян А.М., Карасёва А.А., Иванов А.П. и др.; под ред. А.М. Геворкяна, А.А. Карасёвой.-М.: Высш. Школа, 1982.

7.       Станочные приспособления: Справочник. Под ред. Б.Н. Вардашкина, В.В. Данилевского в 2-х т. Т1 М.: - Машиностроение, 1984.

8.  Елисеев Ю.С., Крымов В.В., Нежурин И.П. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. М.:Машиностроение, 1997 г.

9.       "Экология и безопасность жизнедеятельности" - под ред. проф. Л.А. Муравья,"Юнити", 2000 г.

10. "Безопасность технологических процессов и производств. Охрана труда" - Кукин П.П., Лапин В.Л. "Высшая школа", 1999 г.

11.     "Практическое руководство по техническому нормированию" - под ред. Белова Е.Н., "Машиностроение", 2007 г.

12. "Определение остаточных напряжений" - техническая справка НИИД, 9.6.1997 г.

13. Техническое описание "Алмазные ролики фирмы "Wendt"", "Alstom Uniturbo", 2001 г.

14.     "Shot peening applications"- "Metal improvement company Inc.", 2003

15.     Temporary sertificate "Nickel-base superalloy CNK-7P" of "Techmatus Co" 1996.

16.     Bernard Sharles "The vision for CATIA","CAE News",august 2005

17.     "Technical specification for reconditioning blades made of ЭИ-893 alloy for gas turbine after operation in the unit","Alstom Uniturbo", 25.8.1997

18.     Technical release for East Europe "CATIA Solutions", IBM , 2012

19. "Industrial management" by J.Bruhmer, V.Vanallis, "Intermedia", 2009

20.     http://www.lpre.de - описание ТНА РД-180

21.     http://www.lipstanok.ru - информация по характеристикам станков

22.     http://www.metaltorg.ru - цены на сырье

22. http://bankpatentov.ru - описание лопаток турбины ТНА-180