Повышение производительности и точности изготовления лопаток компрессора ГТД на основе разработки и использования аппаратно-программного комплекса для измерений геометрии сложнопрофильных поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Рузанов Николай Владимирович

• Рузанов Николай Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Рузанов Николай Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Проблемы и пути повышения технологических характеристик изготовления лопаток компрессора ГТД, место и роль контроля в технологии изготовления

1.1 Анализ состояния вопроса повышения технологических характеристик изготовления лопаток компрессора ГТД

1.2 Требования к инструментальным комплексам для технологических операций контроля лопаток ГТД. Основные методы и средства измерения лопаток компрессора ГТД

1.3 Проблемы и пути повышения производительности и точности измерений геометрических параметров сложнопрофильных деталей

1.4 Проблемы определения размерных параметров технологических операций обработки лопаток компрессора ГТД

1.5 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 Разработка теоретических положений для определения и использования размерных параметров лопаток компрессора гтд в технологических процессах их производства

2.1 Разработка схемы сквозной корректировки геометрических параметров на основных операциях формообразования пера лопаток компрессора ГТД

2.2 Разработка компоновки и структурной схемы аппаратно-программного комплекса для измерений лопаток компрессора ГТД

2.3 Цифровая модель аппаратно-программного комплекса для измерений лопаток компрессора ГТД

2.3.1 Математическая модель для оценки погрешностей аппаратно-программного комплекса

2.3.2 Теоретические исследования погрешностей измерения аппаратно-программного комплекса

2.3.3 Методика для рационального выбора комплектующих аппаратно-программного комплекса

2.4 Методика компенсации систематических погрешностей аппаратно-программного комплекса

2.5 Экспериментальные исследования погрешности аппаратно-программного комплекса

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СКАНИРУЮЩЕГО КОНТАКТНОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЛОПАТОК ГТД

3.1 Цифровая модель для рационального определения конструктивных параметров сканирующего контактного датчика

3.2 Теоретические исследования с целью рационального определения конструктивных параметров сканирующего контактного датчика

3.3 Экспериментальные исследования по оценке неопределенности измерений сканирующего контактного датчика

3.4 Калибровка сканирующего контактного датчика

3.5 Экспериментальные исследования погрешностей измерений профилей лопаток ГТД с использованием разработанного датчика

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ОТРАСЛИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД

4.1 Методика определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД

4.2 Теоретические исследования неопределенностей измерений размерных параметров профиля пера заготовок лопаток ГТД

4.3 Экспериментальные исследования неопределенностей измерений размерных параметров профилей пера лопаток компрессора ГТД

4.4 Сравнительный анализ результатов использования процедур совмещения профилей лопаток компрессора ГТД для решения задачи распределения технологического припуска

4.5 Методика использования разработанного аппаратно-программного комплекса для повышения точности и производительности технологических процессов производства лопаток компрессора ГТД

4.6 Апробация методики использования разработанного аппаратно-программного комплекса

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Патент на полезную модель

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ В Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Сертификат соответствия

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Свидетельство об аттестации

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Справка об использовании результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Акт внедрения результатов работы в учебный процесс

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение производительности и точности изготовления лопаток компрессора ГТД на основе разработки и использования аппаратно-программного комплекса для измерений геометрии сложнопрофильных поверхностей»

Актуальность темы исследования

Качество изделий и стоимость их изготовления являются ключевыми факторами, определяющими конкурентоспособность предприятий. Достигнутая геометрическая точность в значительной степени определяет качество изделий. Повышение требований к эксплуатационным характеристикам газотурбинного двигателя (ГТД) приводит к повышению требований по точности его деталей на 20-40%. При этом экономическая целесообразность ограничивает допустимый рост стоимости изготовления двигателя. Снижение затрат на изготовление серийных изделий возможно посредством увеличения производительности труда, что может быть достигнуто за счёт совершенствования технологических процессов и применения современного высокопроизводительного оборудования.

Современные авиационные двигатели являются высоконагруженными тепловыми машинами, в которых протекают сложные аэродинамические процессы. Для реализации данных процессов необходимо наличие деталей, имеющих сложнопрофильные поверхности. К таким деталям относятся лопатки компрессора и турбины, крыльчатки, моноколеса и т.д. В газотурбинных двигателях большое внимание уделяется производству лопаток компрессора. Данная деталь является наиболее массовой деталью ГТД и её геометрия определяет эксплуатационные характеристики газотурбинного двигателя в целом. Совершенство аэродинамического процесса лопаток компрессора определяется уровнем профилирования при конструировании и достигнутой в производстве точностью их изготовления. Результирующая геометрия лопаток компрессора определяется следующими факторами: точностью переноса теоретической модели поверхности в формообразующее оборудование, его технологическими возможностями, точностью и жесткостью используемой оснастки, совершенством технологического процесса изготовления и измерения детали.

Постоянно повышаются требования к точности изготовления аэродинамических поверхностей лопаток компрессора: допуски формы пера,

регламентируемые технической документацией, достигают 0,03-0,2 мм. Заданная точность изготовления лопаток компрессора ГТД достигается посредством поэтапной обработки заготовок. Каждый последующий этап обработки заготовок характеризуется постепенным повышением точности, при уменьшении величины снимаемого припуска и снижении производительности съёма материала. Погрешности обработки на начальных этапах приводят к увеличению объема неравномерно снимаемого материала на заключительных этапах, что влечет за собой снижение общей производительности изготовления лопаток ГТД.

Повышение общей производительности может быть достигнуто за счет комплексного управления параметрами размерной обработки формообразующих операций в технологическом процессе изготовления лопаток компрессора ГТД. Корректировка размерных параметров формообразующих операций позволит компенсировать погрешности обработки и перераспределить объем снимаемого материала с конечных этапов на начальные. Объем трудоёмкой ручной доводки лопаток компрессора ГТД может быть исключён за счёт использования робототехнологических комплексов. Реализация названных предложений становится возможной при использовании цифровых технологий на основных этапах обработки лопаток компрессора ГТД.

Важным условием использования цифровых технологий является получение информации о действительной геометрии заготовки детали в процессе производства с необходимой достоверностью в цеховых условиях и возможностью её обмена с другими системами.

В связи с этим тема диссертационной работы - повышение производительности и точности изготовления лопаток компрессора ГТД на основе разработки и использования аппаратно-программного комплекса для измерений геометрии сложнопрофильных поверхностей является актуальной для современного авиадвигателестроения и соответствует заявленной специальности.

Степень разработанности темы. Проблемами повышения технологических характеристик изготовления лопаток компрессора ГТД, в том числе сложнопрофильных деталей занимались: Б.С. Балакшин, Н.А. Бородачев,

Ю.С. Елисеев, В.Ф. Безъязычный, И.А. Иващенко, А.Н. Лунев, Ф.И. Демин, А.А. Коряжкин, А.Ю. Каспарайтис, В.Г. Лысенко, Д.В. Гоголев, В.А. Полетаев, С.А. Станкевич, М.А. Болотов, K. D. Summerhays, E. Savio, M. Ristic, H. Wang, A. Wozniak и другие.

Анализируя результаты исследований многих авторов по данной проблеме можно сделать вывод о существенном теоретическом и практическом заделе в данной области знаний. Обзор изученных работ позволяет выделить ряд перспективных направлений решения рассматриваемой проблемы:

1. Повышение уровня автоматизации используемого обрабатывающего оборудования.

2. Оптимизация распределения припуска для снижения объема ручной обработки деталей.

3. Использование роботизированных систем для обработки деталей и полного отказа от ручной доводки.

Разработка указанных направлений тесно связана с необходимостью получения в производственных условиях информации о действительной геометрии обрабатываемых деталей, её обработки с учётом технологических задач и подготовки данных для взаимодействия с обрабатывающим оборудованием. Необходимые полнота и достоверность информации приводят к возникновению ряда проблем, а именно:

1. Обеспечение требуемой точности работы аппаратно-программных комплексов.

2. Достижение высокой производительности процесса измерения.

3. Использование измерительных средств на участках, где осуществляется непосредственная обработка изделий.

4. Обеспечение соответствия методов обработки информации нормам отраслевой документации.

Цель диссертационной работы. Повышение производительности и точности изготовления лопаток компрессора ГТД в условиях цифрового производства на основе разработки и использования аппаратно-программного

комплекса в технологических процессах при измерении геометрии сложнопрофильных поверхностей и корректировке параметров их размерной обработки.

Задачи исследования.

1. Разработка схемы сквозной корректировки геометрических параметров на основных операциях формообразования пера лопаток компрессора ГТД.

2. Разработка аппаратно-программного комплекса для технологических измерений геометрических параметров сложнопрофильных поверхностей лопаток компрессора ГТД.

3. Повышение точности измерения геометрических параметров заготовок лопаток за счёт разработки и использования методики компенсации систематических погрешностей аппаратно-программного комплекса.

4. Повышение производительности измерения геометрических параметров заготовок лопаток за счёт разработки и использования сканирующего контактного датчика.

5. Разработка методики определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток компрессора ГТД.

6. Повышение производительности и обеспечение размерной точности на операциях формообразования лопаток компрессора ГТД за счёт разработки методики использования аппаратно-программного комплекса и применения его на операциях контроля.

Объект исследований. Технология изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя.

Предмет исследований. Координатные измерения, обработка и анализ геометрических данных в технологии изготовления пера лопаток компрессора ГТД.

Методы и средства исследований. Решение поставленных задач выполнялось посредством численного моделирования процесса измерений сложнопрофильных деталей. При выполнении теоретических исследований использовались методы математического моделирования, инструменты линейной алгебры, теории вероятностей, математической статистики, аналитической

геометрии и вычислительной математики. Реализация разработанных моделей и алгоритмов выполнялась в системах MATLAB и Visual Studio. Выполнение экспериментальных исследований проводилось с использованием разработанного аппаратно-программного комплекса, координатно-измерительных машин Самарского университета и ПАО «Кузнецов» на опытных образцах и серийных лопатках ГТД.

Научная новизна.

1. Предложена методика использования аппаратно-программного комплекса для сквозной корректировки геометрических параметров на основных операциях формообразования пера лопаток компрессора ГТД, отличающаяся от существующих повышением роли операционного контроля в технологическом процессе их изготовления.

2. Разработана цифровая модель аппаратно-программного комплекса, отличающаяся от существующих использованием векторных размерных связей и разработанной методикой для рационального выбора его комплектующих.

3. Предложена новая методика компенсации систематических погрешностей измерительного устройства, отличающаяся от существующих использованием доступных эталонов для калибровки аппаратно-программного комплекса.

4. Разработана цифровая модель сканирующего контактного датчика, позволяющая определять его рациональные конструктивные параметры.

5. Предложена новая методика определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД, отличающаяся от существующих учетом особенностей их изготовления и соответствия требованиям отраслевого стандарта.

Теоретическая значимость работы заключается в разработанной схеме сквозной корректировки геометрических параметров на основных операциях формообразования пера лопаток компрессора ГТД, в предложенных цифровых моделях аппаратно-программного комплекса для измерений геометрии сложнопрофильных поверхностей лопаток компрессора ГТД и

высокопроизводительного сканирующего контактного датчика для выполнения технологических измерений сложнопрофильных поверхностей.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработанном демонстрационном образце аппаратно-программного комплекса для измерения лопаток компрессора ГТД и методике, реализующей схему сквозной корректировки геометрических параметров с использованием разработанного аппаратно-программного комплекса. Предложена методика компенсации систематических погрешностей, используемая для повышения точности разработанного аппаратно-программного комплекса. Разработана методика определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД, которая может быть использована для изменения формообразующих операций их изготовления.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.07.05 -Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов. Соответствует п. 9 - Теоретические основы и технологические процессы изготовления деталей двигателей и агрегатов летательных аппаратов, включая технологическую подготовку производства, в том числе автоматизированные системы проектирования и управления, технологические процессы и специальное оборудование для формообразования и обработки деталей двигателей, их защита.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Схема сквозной корректировки геометрических параметров на основных операциях формообразования пера лопаток компрессора ГТД.

2. Цифровая модель аппаратно-программного комплекса для измерения геометрии сложнопрофильных поверхностей лопаток компрессора ГТД, учитывающая особенности технологических процессов их производства.

3. Методика компенсации систематических погрешностей измерительного устройства, повышающая точность измерения сложнопрофильных поверхностей при помощи доступных эталонов.

4. Цифровая модель для определения конструктивных параметров сканирующего контактного датчика, предназначенного для технологического контроля лопаток компрессора ГТД с целью повышения точности его работы.

5. Методика определения геометрических параметров профилей пера лопаток, используемая при корректировке размерных параметров их обработки в автоматизированном режиме и учитывающая основные требования отраслевых стандартов.

6. Методика использования разработанного аппаратно-программного комплекса для повышения технологических характеристик лопаток компрессора ГТД.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью принятых допущений в математических моделях; применением известных и проверенных численных методов, обладающих высокой точностью, при проведении вычислительных экспериментов; использованием в процессе исследований поверенного метрологического оборудования и сертифицированного программного обеспечения; высокой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на всероссийских и международных конференциях, в том числе:

- на Международной молодежной научной конференции «40-е Гагаринские чтения», г. Москва, Московский авиационный институт, 7-11 апреля 2014 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии ПИТ-2014», г. Самара, Самарский университет, 30 июня - 4 июля 2014 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара, Самарский университет, 25-27 июня 2014 г.;

- на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», г. Самара, Самарский университет, 14-18 сентября 2015 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Динамика и виброакустика машин» (ДВМ 2016), г. Самара, Самарский университет, 29 июня -1 июля 2016 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии ПИТ-2017», г. Самара, Самарский университет, 14 - 16 марта 2017 г.;

- на Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике», г. Томск, Томский политехнический университет, 27-29 ноября 2017 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ-2018), г. Самара, Самарский университет, 24-27 апреля 2018 г.

Кроме того, получен патент на полезную модель «Устройство для контроля геометрических параметров пера лопаток» №127449 от 27.04.2012 г. (приложение А), свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программный комплекс для моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров деталей машиностроения» №2016616259 от 13.04.2016 г. (приложение Б), свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программный модуль для автоматизации контроля геометрических параметров деталей на современном оборудовании с ЧПУ» №2016619985 от 06.07.2016 г. (приложение В), получен сертификат соответствия разработанного приложения «Виртуальная координатно-измерительная машина (ВКИМ)» требованиям метрологического программного обеспечения (приложение Г), получено свидетельство об аттестации «Методики измерений геометрического параметра - погрешности профиля зуба эвольвентных эталонных мер и внутренних или внешних профилей зубчатых колес» и соответствия разработанной методики метрологическим требованиям (приложение Д).

Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы для создания опытного образца аппаратно-программного комплекса,

предназначенного для контроля геометрии сложнопрофильных поверхностей. Получена справка об использовании результатов работы при определении перспективных путей совершенствования окончательного этапа серийного производства лопаток компрессоров и турбин на ПАО «Кузнецов» № 2506 от 19.02.2019 г. (приложение Е). Получен акт внедрения в учебный процесс результатов диссертационной работы от 4.10.2019 г. (приложение Ж).

Разработка теоретических положений, изложенных в диссертационной работе, была поддержана договорами и грантами: «Проведение исследований и разработка современных подходов в области создания систем контроля качества в инновационном аэрокосмическом машиностроении», выполняемых между СГАУ и Министерством образования и науки Российской Федерации, в интересах предприятия, ГК №14.740.11.1084 от 24.05.2011 г.; «Создание эффективных технологий проектирования и высокотехнологичного производства газотурбинных двигателей большой мощности для наземных энергетических установок», договор №27/13 от 15.02.2013 г., разделы работ по теме «Исследование процесса измерения и разработка управляющей программы для контроля геометрических параметров цилиндрических зубчатых колес на координатно-измерительных машинах» и «Разработка методики и программного обеспечения для сканирования и измерений комплекса геометрических параметров профилей лопаток компрессора ГТД»; повышение конкурентоспособности СГАУ на 2013-2020 годы по главному направлению развития научно-образовательной деятельности СГАУ «Двигателестроение», раздел работ «Разработка методологии формирования информационной модели двигателя, учитывающей размеры деталей по результатам производственного контроля».

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (включающего 102 наименования) и семи приложений. Общий объём диссертации составляет 153 страницы, 73 рисунка и 11 таблиц.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД, МЕСТО И РОЛЬ КОНТРОЛЯ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1.1 Анализ состояния вопроса повышения технологических характеристик

изготовления лопаток компрессора ГТД

В настоящее время ключевой задачей авиадвигателестроения является снижение стоимости изготовления и эксплуатационных расходов газотурбинных двигателей при сохранении требуемого уровня надежности указанных изделий. Одним из направлений исследований для решения данной задачи является повышение эффективности производства лопаток компрессора и турбины.

Сложность геометрической пространственной формы лопаток ГТД, требования к точности их изготовления, физико-механические характеристики новых жаропрочных сталей и сплавов и большое количество необходимых лопаток компрессора и турбины приводят к тому, что трудоемкость механической обработки лопаток современного двигателя достигает 40% трудоемкости изготовления всего двигателя [39, 12, 56]. Повышение уровня автоматизации процессов изготовлении лопаток ГТД позволит снизить трудоемкость механической обработки лопаток, что в свою очередь положительно отразится на стоимости газотурбинного двигателя.

Наряду с уменьшением трудоемкости производства лопаток ГТД углубленная автоматизация отдельных технологических участков и отказ от использования ручной доводки позволят повысить точность изготовления изделий [48, 51, 59, 3]. Перо лопатки определяет ее аэродинамические свойства и влияет на газодинамические характеристики двигателя. Существенное влияние точности изготовления лопаток на авиационный двигатель можно проиллюстрировать следующими примерами:

1. Профиль спинки лопаток становится всё более изогнутым, возрастает скорость газа на спинке (до 400 м/с) в месте высокой кривизны, увеличивается перепад давлений между воздухом, охлаждающим лопатку, и газом, омывающим её. Кривизна спинки лопатки оказывает влияние на качество охлаждения детали,

отклонение данного параметра от его конструкторского значения может привести к снижению ресурса лопатки и, как следствие, всего двигателя [58].

2. Геометрическая форма входной и выходной кромок оказывает значительное влияние на газодинамическую устойчивость газотурбинного двигателя. Возможное технологическое отклонение углов входа и выхода, в сумме на 5 градусов, снижает располагаемый запас газодинамической устойчивости на 1/5 диапазона в эксплуатации [60].

3. Форма профиля спинки и корыта оказывает непосредственное влияние на скорость течения воздуха, различные режимы течения в лопаточных каналах могут не только снизить КПД компрессора, но и вызвать колебания лопаток и их поломку [52].

Основными конструктивными элементами и параметрами, влияющими на технологию изготовления лопаток компрессора, являются габаритные размеры, наличие полок, форма хвостовиков и пера, толщина кромок и значения радиусов их скругления, величины радиусов сопряжения пера с полками. Отраслевой стандарт [64], задающий допустимые геометрические параметры лопаток компрессоров и турбин, проводит классификацию лопаток по их геометрическим размерам - высоте пера и ширине хорды. На рисунке 1.1 показана классификация дозвуковых (а) и сверхзвуковых (б) лопаток компрессора.

3 5 10 го 40 60 80100 150 200 300

10 20 40 60

150 200 300 400 500 Ь,мм

а

б

Рисунок 1.1 - Классификация лопаток компрессора: а) дозвуковых; б) сверхзвуковых

Для получения одинаковых скоростей течения воздушного потока и одинаковых давлений и температур в каждом лопаточном канале при изготовлении лопаток необходимо обеспечить высокую точность исполнения их линейных и угловых размеров. Отраслевой стандарт описывает максимальное расхождение между изготовленной лопаткой и её номинальной формой, заданной конструкторской документацией. К лопаткам различных групп предъявляются различные требования по точности изготовления, документ накладывает ограничения на такие параметры, как отклонение формы действительного профиля от формы номинального профиля, максимальное перемещение и закрутка профиля. Например, в таблице 1. 1 приведена информация о предельном отклонении формы поверхности спинки и корыта.

Таблица 1.1 - Допустимое отклонение формы лопаток компрессора

Предельное отклонение размера, мм

Группа лопаток Класс точности

1 2 3

0 -0,04 -0,06 -0,08

А -0,06 -0,08 -0,12

Б -0,08 -0,16 -0,24

В -0,24 -0,32 -0,48

Г -0,52 -0,72 -0,92

Большое разнообразие конструкций и материалов, а также различные требования по точности изготовления определяют разнообразие технологических процессов и специализированного оборудования для изготовления лопаток компрессора. Благодаря профилированию исходных заготовок прокаткой, электровысадкой, горячим вальцеванием и выдавливанием, а также окончательному формоизменению штамповкой на гидропрессах в изотермических условиях, на винтовых прессах, высокоскоростных молотах, холодным вальцеванием стало возможным изготавливать большую номенклатуру заготовок лопаток с уменьшенными припусками на размерную механическую обработку пера [10, 19, 32, 30].

С учетом определяющих операций по обработке пера, типов хвостовиков, а также передового опыта предприятий отрасли и перспективных направлений совершенствования технологии производства лопаток компрессора укрупненно

можно выделить следующие технологические группы изготовления лопаток ГТД [35, 57, 49, 22, 13]:

1. Высота пера до 120 мм, один хвостовик типа «ласточкин хвост». Припуск по перу 0,2...0,6 мм. Обработка профиля хвостовика протягиванием или точением для кольцевых хвостовиков. Используются три технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: вальцевание, шлифование, ЭХО. Для этой группы лопаток в настоящее время прорабатываются две перспективные технологические схемы: с использованием заготовки лопаток с припуском по перу под безразмерную обработку, с применением круговой ЭХО пера из катаной калиброванной полосы.

2. Высота пера до 120 мм, один хвостовик типа «цапфа». Припуск по перу 0,2...0,6 мм. Обработка цилиндрической полки хвостовика и хвостовика типа «цапфа» точением. Используются две технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: вальцевание+шлифование, шлифование + ЭХО.

3. Высота пера до 120 мм, два хвостовика типа «призматическая полка». Припуск по перу 0,2...0,6 мм. Обработка наружных поверхностей полок протягиванием. Используются две технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: шлифование, ЭХО.

4. Высота пера до 120 мм, без хвостовиков переменного профиля. Припуск по перу 0,2...0,6 мм. Обработка технологического хвостовика протягиванием.

5. Высота пера до 120 мм, без хвостовиков постоянного профиля. Определяющие операции: разделение профильной полосы на отдельные заготовки, гибка отдельных заготовок, безразмерная обработка пера.

6. Высота пера 120...250 мм, один хвостовик типа «ласточкин хвост». Припуск по перу 1,5...2,5 мм. Обработка профиля хвостовика протягиванием. Используются три технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: фрезерование + шлифование, ЭХО + шлифование, ЭХО.

7. Высота пера 120...250 мм, один хвостовик типа «шарнир». Припуск по перу 1,5...2,5 мм. Обработка хвостовика сверлением, фрезерованием и протягиванием.

Используются три технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: фрезерование + шлифование, ЭХО + шлифование, ЭХО.

8. Высота пера 120...250 мм, два хвостовика типа «призматическая полка». Припуск по перу 1,5...2,5 мм. Обработка наружных поверхностей полок протягиванием. Используются три технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: фрезерование + шлифование, ЭХО + шлифование, ЭХО.

9. Высота пера 120...250 мм, два хвостовика типа «цапфа». Припуск по перу 1,5...2,5 мм. Обработка цилиндрических полок хвостовиков и хвостовиков типа «цапфа» точением. Используются три технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: фрезерование + шлифование, ЭХО + шлифование, ЭХО.

10. Высота пера 250...850 мм, один хвостовик типа «ласточкин хвост» или «елка». Припуск по перу 5,5...20 мм. Обработка профиля хвостовика протягиванием или фрезерованием для «елочных» хвостовиков. Используются две технологические схемы обработки пера с определяющими операциями: фрезерование + шлифование, фрезерование + ЭХО + шлифование.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рузанов Николай Владимирович, 2019 год

\ /

\ \ /

\ / /

/

12 3 4

у , мм

Рисунок 3.8 - Функция оценки изменения длины при различных значениях параметра ут

Рисунок 3.9 - Изменение длины при различных значениях параметра 1п

Рисунок 3.10 - Функция оценки изменения длины при различных значениях параметра 1п

Вместе с повышением чувствительности датчика при увеличении длины пластины происходит расширение диапазона допустимых смещений измерительного наконечника. С другой стороны, данное изменение приводит к росту колебаний пластины, что отрицательно сказывается на результатах измерения. Предложенная модель не учитывает данное колебание, поэтому для повышения чувствительности сканирующего контактного датчика необходимо проводить экспериментальные исследования по подбору длины углепластиковой пластины.

На последнем этапе теоретических исследований проводился анализ влияния длины измерительного щупа на чувствительность датчика. Результаты моделирования представлены на рисунках 3.11 и 3.12.

Рисунок 3.11 - Изменение длины при различных значениях параметра 1щ

1340

1320

1300

1280

1260

1240

1220

Рисунок 3.12 - Функция оценки изменения длины при различных значениях параметра щ

Проведенные теоретические исследования позволяют выбрать конфигурацию компонент сканирующего контактного датчика, максимизирующую его чувствительность и снижающую неопределенность измерений.

3.3 Экспериментальные исследования по оценке неопределенности измерений сканирующего контактного датчика

Представленная модель датчика учитывает ряд факторов, влияющих на точность измерения, и описывает состояние компонент устройства при установившемся внешнем воздействии. Наряду с описанными факторами существуют факторы, влияние которых сложно оценить при помощи численного моделирования, поэтому для оценки данного влияния необходимо использовать экспериментальные исследования. Особенности конструкции и принципа работы датчика с применением тензорезистора обуславливают наличие факторов, влияющих на точность измерений (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 - Факторы, влияющие на точность измерений

тензорезистором

Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен макет сканирующего контактного датчика, учитывающий результаты теоретических исследований (рисунок 3.14).

В ходе экспериментов было выявлено значительное влияние на результаты измерения вибраций площадки, на которой находится измерительный датчик. Для подвода площадки с датчиком к измеряемой поверхности используется шаговый двигатель.

Рисунок 3.14 - Внешний вид изготовленного датчика

При движении измерительного щупа к измеряемой поверхности дискретность шагового двигателя приводит к возникновению колебаний конструкции датчика, что в свою очередь отражается на показаниях сопротивления, считываемого с тензорезристора.

Добавление демпфирующего элемента снизило амплитуду колебаний сопротивления с ±2 Ом до ±1 Ом. На рисунке 3.15 показано сравнение зависимостей до установки и после нее.

Дополнительная обработка результатов измерения сопротивления при помощи функции скользящего среднего (3.3) уменьшила амплитуду колебаний до ±0,1 Ом (рисунок 3.16).

Рисунок 3.15 - Сопротивление тензорезистора при движении к измеряемой поверхности

Рисунок 3.16 - Данные после дополнительной обработки результатов измерения

п-1

жжмл -i • р,-г, (3.3)

I=0

где ЖЖМЛХ - значение взвешенного скользящего среднего в точке

N - количество значений исходной функции для расчета скользящего среднего;

щ-i - весовой коэффициент Ы значения функции; Р1 - i - значение исходной функции в момент времени, отдаленный от текущего на i интервалов.

Экспериментальные исследования показали наличие высокой чувствительности тензорезистора к температуре окружающей среды. При измерении возникают резкие скачки сопротивления тензорезистора, что видно из графика на рисунке 3.17а.

1, сек X, сек

а б

Рисунок 3.17 - Изменение сопротивления тензорезистора:

а) без защитного кожуха; б) с защитным кожухом

На основании проведенных экспериментальных исследований была изменена конструкция сканирующего контактного датчика и изменен алгоритм обработки информации, получаемой с тензорезистора.

3.4 Калибровка сканирующего контактного датчика

На следующем этапе разработки выполнялась калибровка изготовленного датчика. В ходе калибровки определялось влияние смещения измерительного наконечника на изменение сопротивления тензорезистора, возникающего под действием указанного смещения.

Для выполнения калибровки использовался эталон в виде плоскости, представленный в разделе 2.5. Блок-схема алгоритма калибровки представлена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - Блок-схема алгоритма калибровки тензорезистора

Для уменьшения влияния случайных факторов данный процесс выполнялся несколько раз, итоговая зависимость получалась путем усреднения результатов экспериментов (рисунок 3.19).

—■— Эксперимент 1 —■— Эксперимент 2 Эксперимент 3 —*— Эксперимент 4 —»— Эксперимент 5 Среднее

|

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Смещение, мкм

Рисунок 3.19 - Зависимость сопротивления тензорезистора от величины смещения измерительного наконечника

На основании полученной зависимости была построена функция определения смещения наконечника по изменению сопротивления тензорезистора. Для проверки полученной функции был изготовлен эталон с впадинами известной глубины. Выполнены измерения эталона, в ходе которых фиксировалось сопротивление тензорезистора на его различных участках и определялись соответствующие перемещения измерительного щупа. Сопоставлены вычисленные перемещения измерительного щупа и величины впадин эталона в соответствующих точках эталона (рисунок 3.20).

5 10 15 20 25 30 35 4С

X. мм

Рисунок 3.20 - Участок эталона с углублениями 8, 16 и 32 мкм

Выявленная неопределенность измерений не превышает 4 мкм, что сопоставимо с характеристиками известных измерительных датчиков.

3.5 Экспериментальные исследования погрешностей измерений профилей лопаток ГТД с использованием разработанного датчика

Изготовленный макет сканирующего контактного датчика был установлен в разработанный аппаратно-программный комплекс и проведены экспериментальные исследования погрешностей измерений. Экспериментальные исследования выполнялись в аналогичной последовательности, которая описана в разделе 2.5.

На первом этапе при помощи разработанного комплекса были измерены изготовленные эталоны, имеющие плоскую, цилиндрическую и

сферическую поверхности. На рисунках 3.21-3.23 показано отклонение точек действительной поверхности от их номинального значения.

Рисунок 3.21 - Отклонение измеренных Рисунок 3.22 - Отклонение

точек плоскости от номинального значения измеренных точек цилиндра

от номинального значения

0.01

0.005

%

Я 0

sT

-0.005

-0.01

Рисунок 3.23 - Отклонение измеренных точек сферы от номинального значения

Геометрические параметры эталонов, полученные по результатам их измерения на аппаратно-программном комплексе и на поверенной координатно-измерительной машине, использовались для определения параметров калибровки комплекса. Результирующие параметры преобразования систем координат представлены в виде:

а = -0,3523° р = -0,0057° Тг = у = 0,0244°

г- 0,563 л -12,874 20,396

(3.4)

Данные параметры использовались для компенсации результатов измерения тестовых заготовок лопатки компрессора, высотой 180 мм. На рисунке 3.24 показано отклонение результатов измерения, вычисляемое по формуле (2.12).

Рисунок 3.24 - Сравнение результатов измерения

График показывает, что результаты измерения, полученные при использовании разработанного сканирующего контактного датчика, сравнимы с результатами применения датчика линейных перемещений Heidenhain, рассматриваемыми в разделе 2.5. Текущая погрешность измерения составляет 15 мкм, что делает возможным использовать разработанный сканирующий контактный датчик в составе аппаратно-программного комплекса для технологического контроля параметров заготовок лопаток компрессора высотой до 250 мм.

3.6 Выводы по главе 3

1. Разработана цифровая модель сканирующего контактного датчика, предназначенного для выполнения технологических измерений сложнопрофильных поверхностей. Приведенная модель может быть использована для рационального определения конструктивных параметров датчика с целью обеспечения точности его работы.

2. Проведены теоретические исследования влияния конструктивных параметров сканирующего контактного датчика на точность его измерений. По результатам проведенных исследований определены параметры изготавливаемого макета датчика.

3. Проведены экспериментальные исследования по определению факторов, влияющих на точность работы датчика, предложены решения для компенсации их воздействия и повышения точности работы разработанного устройства.

4. Предложен алгоритм калибровки разработанного сканирующего контактного датчика.

5. Проведено экспериментальное исследование точности работы сканирующего контактного датчика. Анализ результатов измерений показал, что погрешность измерения устройства составляет не более 4 мкм. Достигнутые характеристики точности и производительности измерения сопоставимы с характеристиками других измерительных датчиков и достаточны для его использования в разработанном аппаратно-программном комплексе. Результаты исследований показывают возможность дальнейшего повышения точности измерений разработанного сканирующего контактного датчика. Макет сканирующего измерительного датчика позволяет измерять поверхности с плотностью 4 точки на миллиметр при скорости 15 мм/сек и 12 точек на миллиметр при скорости 5 мм/сек.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ОТРАСЛИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД

Представленный аппаратно-программной комплекс позволяет эффективно реализовать схему, приведенную в разделе 2.1. Также для реализации схемы необходимо разработать методику обработки информации о действительной геометрии заготовки, получаемой в результате использования комплекса.

В данной главе представлена методика обработки результатов промежуточного контроля. Методика предназначена для определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД. Выполняется оценка неопределенностей измерений параметров детали при использовании разработанной методики, приводятся результаты её апробации на наборе лопаток компрессора ГТД.

В заключительном разделе приведена методика использования разработанного аппаратно-программного комплекса для повышения точности и производительности технологических процессов производства лопаток компрессора ГТД.

4.1 Методика определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД

Параметры корректировок формообразующих операций лопаток компрессора ГТД могут быть определены на основе размерных параметров рассматриваемой детали. Определение размерных параметров лопаток с высокой точностью осложняется следующими факторами: сложной криволинейной формой изделий, погрешностями их изготовления, а также

неоднозначностью определения границ сложнопрофильных поверхностей (спинки, корыта, входной и выходной кромок).

В текущем разделе представлена методика определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД, которая позволяет снизить влияние обозначенных факторов.

На первых этапах разработанной методики происходит предварительная обработка результатов измерения заготовки лопатки для определения аналитического представления её профилей.

На следующих этапах выполняется расчёт следующих размерных параметров заготовки: радиус входной и выходной кромок ^ и R2), длина хорды профиля (Ь), толщина входной и выходной кромок (С1 и С2), максимальная толщина профиля (Стах).

На заключительном этапе производится совмещение измеренного профиля пера заготовки лопатки с его номинальной формой, и определяются параметры корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД.

Детальный список этапов разработанной методики представлен на рисунке 4.1.

Рассмотрим приведенные на рисунке 4.1 этапы более подробно.

1. Импорт результатов измерения. Для использования методики необходимо извлечь результаты измерения из программного обеспечения, управляющего координатно-измерительной машиной, и сохранить их в формате, доступном для последующего анализа. Решением указанной задачи занимается разработанное программное обеспечение ScanExporter, экспортирующее результаты измерения из приложения РС^МК (одна из распространенных систем для управления КИМ) в текстовые файлы. Далее, импортируя данных текстовых файлов в систему МАТЬАВ, выполняется анализ результатов измерения.

Импорт результатов измерения

Выделение сечений заготовки лопатки но иысотспсра

Построение упорядоченного набора точек профиля пера заготовки лопатки

Определение расположения кромок заготовки лопатки

Определение кривых, ОПиСЫЕЗЮЩИХ различные участки профили

Нычиеление параметров крцмок заготовки лопатки Кь К:

Построение средней линии для профиля пера заготовки лопатки

Вычисление параметров профиля Ь, С|, Стак

Совмещение действительного »г номинального профилей пера заготовки лопатки

Определение параметров корректировки размерной обработки профилей перл заготовок лопаток ГТД

Рисунок 4.1 - Этапы методики определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД.

2. Выделение сечений заготовки лопатки по высоте пера. На данном этапе работы методики необходимо разделить массив полученных точек на подмножества точек, представляющих отдельные сечения. Как правило, при измерении заготовки лопатки на координатно-измерительной машине система координат выбирается таким образом, чтобы деталь была ориентирована вдоль оси 2, вследствие чего различные сечения заготовки лопатки отличаются между собой компонентой 2 измеренных точек. Алгоритм выделения сечений предполагает, что система координат результатов измерения ориентирована описанным образом.

На первом шаге алгоритма строится гистограмма распределения высот измеренных точек. На построенной гистограмме выделяются области наибольшей концентрации точек измерения и определяются границы каждого сечения.

На втором шаге вычисляется высота сечения как среднее арифметическое высот точек, принадлежащих указанному сечению.

3. Построение упорядоченного набора точек профиля пера заготовки лопатки. После определения набора точек, принадлежащих каждому сечению, выполняется упорядочивание точек для возможности описания профиля аппроксимационными кривыми.

Для решения указанной задачи находится приближение средней линии профиля пера заготовки лопатки. Границами приближенной средней линии являются наиболее удаленные точки измерения.

где Р - точка сечения.

Точки приближенной средней линии профиля находятся итерационно:

2 '

где Мк - точка приближенной средней линии;

Pi - точки сечения, отстоящие от начала приближенной средней линии на расстояние от Rk-1 до Rk;

Рк1 - точка, максимально удаленная от предыдущей точки приближенной средней линии;

Рк2 - точка, максимально удаленная от прямой, проходящей через Мк-1

Р Р 2|| = тах | Рр II

(4.1)

dP = тах dP,

к 2 -1<|М оР| |<=«к '

(4.2)

Р + Р

Мк = к1 к 2 ,

и Рк1;

Rk - расстояние до начала приближенной средней линии;

йР - расстояние от точки до прямой, проходящей через Мк-1 и Рк1.

Графическое пояснение каждой итерации показано на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Графическое представление определения точек приближенной средней линии

Упорядочивание точек сечения также представляет итерационный процесс, начальной точкой упорядоченного набора является одна из границ приближенной средней линии, найденной на предыдущем этапе. В качестве следующей точки набора выступает ближайшая точка, для которой отрезок между ней и текущей точкой не пересекает приближенную среднюю линию. После завершения всех итераций формируется первая часть упорядоченного набора, включающая точки, располагающиеся между точками Р^ и Р^. Формирование второй части набора происходит аналогичным образом.

4. Определение расположения кромок заготовки лопатки. Точки Р^ и Р^, найденные на предыдущем шаге располагаются на кромках заготовки лопатки. На основе данных точек определяются наборы точек, как принадлежащих кромкам заготовки лопатки, так и располагающихся в непосредственной близости от них (рисунок 4.3).

10

-5 -10

-15

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Ось х, мм

Рисунок 4.3 - Определение точек сечения, располагающихся около кромок заготовки лопатки

5. Определение кривых, описывающих различные участки профиля. Выделив точки, находящиеся около кромок заготовки лопатки, и исключив их из упорядоченного набора точек профиля, получаем упорядоченные наборы точек спинки и корыта.

На основе данных наборов определяются кривые, описывающие указанные участки. В данной работе используются NURBS-кривые.

6. Вычисление параметров кромок заготовки лопатки Яь Я2. Данный этап выполняется по шагам, представленным на рисунке 4.4.

11остроение предварительной средней линии Определение точек спинки и корыта построение средней лнннн по спинке Построение средней липни ии корыту Определение центра и радиуса кромки

Рисунок 4.4 - Определение параметров кромки лопатки

Кромками лопатки называются поверхности сопряжения спинки и корыта пера лопатки, поэтому для определения параметров кромки необходимо выделить участки построенных кривых, относящихся к указанным поверхностям.

Начальный и конечный участки кривой, построенной по точкам, находящимся около кромки, содержат точки спинки и корыта. Для расширения границ данных участков строится предварительная средняя линия прикромочного участка заготовки лопатки. На рисунке 4.5 представлено пояснение решения указанной задачи.

Рисунок 4.5 - Построение предварительной средней линии

Для построения предварительной средней линии небольшие участки в начале и конце кривой проецируются на отрезок Pg1Pg2, найденный на предыдущих шагах, и определяется отрезок пересечения двух проекций -B1B2.

Отрезок B1B2 разбивается равномерной сеткой, для каждой точки которой проводится делительная прямая, перпендикулярная данному отрезку и определяются точки пересечения построенной прямой и кривой, описывающей кромку - T1 и T2.

Точка предварительной средней линии определяется путем решения задачи (4.3):

p = Ti +1• T -Ti),

f (p) = \dc - dK |, (4.3)

M = pMu„ : f (pMu„ ) = min f (p),

0 < t <-1

где p - точка на отрезке T1T2;

dc, dк - расстояние от точки p до спинки и корыта.

Для определения границ спинки и корыта на кривой кромки предварительная средняя линия аппроксимируется прямой линией. За границы участков принимаются точки, в которых угол между касательной к кривой и направляющим вектором полученной прямой превышает пороговое значение.

Построение средней линии по участкам, представляющим спинку и корыто аналогично построению предварительной средней линии, за

исключением того, что в качестве делительной прямой выступает прямая, перпендикулярная касательной к кривой (рисунок 4.6).

На заключительном шаге находится точка пересечения средних линий, построенных по спинке и корыту, ближайшая к пересечению прямой, полученной по предварительной средней линии, и кривой кромки. Данную точку будем рассматривать как центр кромки. Радиус кромки определим как расстояние от центра кромки до кривых спинки и корыта.

В результате вычисления параметров кромок определяются центры G1, G2 и радиусы Я1, К2 кромок.

7. Построение средней линии для профиля пера заготовки лопатки. Средней линией профиля пера называется линия, являющаяся геометрическим местом центров окружностей, вписанных в профиль пера, продленная по касательной до пересечения с профилем на его кромках. Построение линии центров окружностей выполняется аналогично построению предварительной средней линии для кромок. В качестве делительных прямых рассматриваются прямые, перпендикулярные отрезку G1G2 и проходящие через точки данного отрезка (рисунок 4.7).

Рисунок 4.6 - Построение средней линии по спинке

Рис 4.7 - Линия центров вписанных окружностей

Аппроксимируя полученное множество точек центров окружностей при помощи NURBS-сплайна, получим уравнение кривой, описывающей данное множество.

m = m(t), (4.4)

Продлевая данную кривую с каждой стороны по касательной до пересечения с кромками пера получим требуемую среднюю линию.

8. Вычисление параметров профиля b, Ci, C2, Cmax. Расчёт указанных параметров профиля производится на основе найденной средней линии. Значение хорды профиля пера b определяется как расстояние между точками пересечения средней линии профиля с кромками лопатки.

Толщины C1 и C2 определяются на заданных конструкторской документацией расстояниях n1 и n2 от точек средней линии профиля на входной и выходной кромках соответственно. На заданных расстояниях проводятся нормали к средней линии и вычисляются длины отрезков нормали, ограниченных профилем пера. Данные длины отрезков являются толщинами С1 и С2.

Для определения параметра Cmax определим зависимость толщины профиля от точек средней линии. Для построения функции данной зависимости воспользуемся точками центров окружностей, вычисленными на предыдущем этапе. Для каждой точки определим длину участка средней линии от её начала до данной точки, и длину отрезка нормали в этой точке, ограниченного профилем пера. В результате вычислений формируется набор точек взаимосвязи между расстоянием от начала средней линии и толщиной профиля. Аппроксимируя точки полученного набора, получим уравнение кривой, описывающей требуемую зависимость. Параметр Cmax определяется как максимальное значение полученной функции:

Cmax = max C (t), (4.5)

0<t <l

где t - расстояние от начала средней линии; l - длина средней линии.

9. Совмещение действительного и номинального профилей пера заготовки лопатки. Для определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД необходимо совместить их действительный и номинальный профили. Отраслевой стандарт задает правила совмещения профилей для оценки качества изготовления лопатки. В соответствии с заданными правилами совмещение должно производиться по входной кромке и средней линии профилей. Подобная процедура совмещения не учитывает технологические особенности изготовления лопаток, т.к. погрешности изготовления на входной кромке будут приводить к корректировке всего пера и увеличению трудоемкости изготовления детали. В связи с этим разработанная методика реализует два варианта совмещения профилей - вариант для оценки качества изготовления лопатки в соответствии с отраслевыми стандартами и вариант для определения параметров корректировки формообразующих операций.

Работа обоих вариантов основана на использовании средней линии профиля, полученной на предыдущих этапах. Каждая кривая разбивается на сегменты небольшой длины для того, чтобы сформированные наборы точек средних линий Рном и Рдейст содержали большое количество элементов. Большое количество точек позволяет минимизировать влияние локальных отклонений средней линии действительного профиля от её номинального значения.

9.1 Совмещение для оценки качества изготовления лопатки компрессора ГТД. В соответствии с отраслевым стандартом совмещение происходит по входной кромке и средней линии профилей. Угол разворота действительного пера лопатки определяется путем решения оптимизационной задачи:

I:

R •

х д - ад

У д - ь

д

х н - ан

Ун - Ьн

->тт

(4.6)

R =

' cos(а) - Бт(а) Бт(а) cos(а)

где а- угол разворота действительного профиля заготовки лопатки;

(х \ (х \

- координаты точек средней линии номинального и

X н х д

V У н У V У д у

действительного профилей;

(а ^ (а ^

V Ьу

а

V Ьд У

- координаты точек пересечения средней линии с профилем

входной кромки, номинальный и действительный профиль. Вектор смещения действительного профиля находится по формуле:

т =

(а ^

^ ь У

V н У

- К •

(а ^

*

V Ьд У

(4.7)

Точки совмещенного действительного профиля находятся по формуле:

(X ^

V Ус У

=К

(х \

д

V Уд У

+ т.

(4.8)

9.2 Совмещение для определения параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД. Практика изготовления лопаток компрессора показывает, что производительность и точность их изготовления зависят от равномерности удаляемого с заготовки припуска. Для получения припусков, одинаковых со стороны спинки и корыта, совмещение производится по точкам средней линии путем решения оптимизационной задачи:

I;

; ;

х д X н

К • - +т

ч у' д у ч У'н у

->тт

К--

со8(а) - 8т(а) 8т(а) со8(а)

d

(4.9)

где с и d - параметры смещения действительного профиля.

10. Определение параметров корректировки размерной обработки профилей пера заготовок лопаток ГТД. После совмещения действительного профиля с номинальным выполняется расчет отклонения формы в точках совмещенного профиля. В зависимости от использованной процедуры совмещения отклонение формы может быть использовано для оценки

т

качества изготовления лопаток компрессора ГТД либо для определения величины удаляемого припуска. Для определения отклонения формы через точку совмещенного действительного профиля строится прямая по направлению нормали к ней. После этого определяется соответствующая точка пересечения построенной прямой с номинальным профилем. Расстояние между указанными точками будем принимать за величину отклонения формы. Отклонение формы будем считать отрицательным, если точка на номинальном профиле находится по направлению нормали в точке совмещенного профиля.

Отклонение формы для точек профиля пера заготовки лопатки задает параметры корректировки формообразующих операций.

4.2 Теоретические исследования неопределенностей измерений

размерных параметров профиля пера заготовок лопаток ГТД

Для определения целесообразности применения предложенной методики необходимо выполнить оценку неопределенностей измерений размерных параметров заготовки лопатки ГТД, полученных при её использовании.

Получение данной оценки практическим путем сопряжено с необходимостью создания эталонных лопаток с известными геометрическими параметрами, что, вследствие сложной формы детали и погрешностей её изготовления, является достаточно трудоемкой задачей.

Математическое моделирование позволяет сформировать набор профилей пера заготовки лопатки с известными размерными параметрами. Номинальная форма профиля и накладываемое отклонение формы позволяют формировать действительную модель заготовки лопатки газотурбинного двигателя. Номинальная модель лопатки задается конструкторской документацией. Отклонение формы профиля пера заготовки лопатки может быть представлено в виде суммы трех составляющих [47]:

5ф = 5 + 5 + (5 .

ф г м с

(4.10)

Гармоническое отклонение формы может быть аппроксимировано с использованием композиции функций синуса и косинуса по следующей формуле:

где А и ¿г - амплитуды составляющих;

задано как шх • 2п/ Lх, ^^ задано как Шу • 2#/ Ьу, здесь шх, соу -

частоты гармонических компонент вдоль осей х и у соответственно; Ьх, Ьу - опорные длины вдоль осей х и у соответственно;

(РС0^ - фазы угла синуса и косинуса. Компонента отклонения формы 5м возникает в результате контакта детали и обрабатывающего инструмента. Распределение этой погрешности можно вычислить, опираясь на значения средней кривизны профиля:

где Н, Нт1П и Нтах - значение средней кривизны в точке поверхности и минимальное и максимальное значения средней кривизны по всей поверхности соответственно.

Случайные погрешности имеют различные источники, суммарное действие которых мало по своему влиянию, рассеяние случайных погрешностей обычно подчиняется нормальному закону Гаусса.

Для исследования неопределенности измерения размерных параметров было получено три сечения номинальной СЛО-модели лопатки компрессора и определено аналитическое представление полученных профилей NURBS-сплайнами. Параметры отклонения формы действительного профиля

5г = Аг • ^Ч wх • х + wy • у + Фйп ) + Вг • С0^ wх • х + wy • у + (Рсо, ) , (4.11)

(4.12)

(4.13)

от его номинального значения были определены на основании статистических данных.

Максимальное значение амплитуд А и вг составило 0,02 мм. Фазы и

частоты гармонической составляющей изменялись по равновероятностному закону. Значение фазы лежало в интервале 0°...360°, частоты принимали значения 1, 2, 3 и 4. Компоненты смещения профиля изменялись по нормальному закону в диапазоне: смещение вдоль оси ОХ ±0,02 мм; смещение вдоль оси OY ±0,2 мм; смещение вдоль оси OZ ±0,15 мм. Углы разворота поверхностей изменялись по нормальному закону в пределах: вокруг оси ОХ ±9'; вокруг оси ОY ±3'; вокруг оси ОZ ±6'. Значение случайной составляющей отклонения 8с рассчитывалось случайным образом с максимальным значением 0,002 мм.

Было выполнено моделирование 100 профилей пера заготовки лопатки для каждого рассматриваемого сечения. Размерные параметры созданных профилей рассчитывались в соответствии с предложенной методикой и сравнивались с действительными параметрами, полученными по номинальной модели и закладываемому отклонению формы.

В таблице 4.1 приведены номинальные значения размерных параметров сечений пера лопатки, среднее, среднее квадратическое и максимальное отклонение вычисленного значения от его действительного значения. Представлены результаты сравнения параметров К1, К2, Ь, С1, С2. Неопределенность измерений параметра Стах не рассчитывалась, т.к. данный параметр зависит от центральных участков спинки и корыта, поэтому неопределенность измерений данного параметра зависит от точности определения аналитического представления, которая в свою очередь велика для центральных участков лопатки.

Таблица 4.1 - Результаты оценки неопределенности измерений параметров лопатки ГТД

Параметр Номинал, мм Среднее отклонение, мм Среднее квадратическое отклонение, мм Максимальное отклонение, мм

Высота сечения 17

Ri 0,766 0,006 0,002 0,013

R2 0,550 0,004 0,002 0,009

b 57,766 0,000 0,002 0,007

Ci 2,752 0,000 0,002 0,005

C2 1,493 0,000 0,002 0,006

Высота сечения 100,125

Ri 0,448 0,003 0,002 0,008

R2 0,303 0,003 0,003 0,010

b 59,483 0,000 0,002 0,008

C1 1,523 0,000 0,002 0,006

C2 0,761 0,002 0,003 0,009

Высота сечения 172,825

R1 0,200 0,003 0,002 0,011

R2 0,170 0,002 0,004 0,015

b 55,899 -0,001 0,002 0,007

C1 0,521 -0,002 0,002 0,006

C2 0,353 0,002 0,004 0,011

Результаты проведённых исследований показали, что максимальное отклонение вычисленных значений параметров от их действительного значения составляет 0,015 мм для параметров R1 и R2; 0,008 мм - для параметра Ь и 0,011 мм - для параметров С1 и С2. Отклонение формы затрудняет однозначную идентификацию участков профиля, что значительно сказывается на точности определения параметров кромок и имеет ограниченное влияние на точность определения длины хорды лопатки Ь.

Полученные результаты позволяют использовать разработанную методику для определения размерных параметров лопаток ГТД.

4.3 Экспериментальные исследования неопределенностей измерений размерных параметров профилей пера лопаток компрессора ГТД

Для апробации разработанной методики использовался набор заготовок рабочих лопаток компрессора. Каждая заготовка была измерена на координатно-измерительной машине DEA Global Advantage 09.12.08 с использованием поворотной головки TESA и сканирующего датчика SP25M компании Renishaw (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 - Измерение пера заготовки лопатки

Параметры проведения экспериментальных исследований представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Параметры проведения экспериментальных исследований

Параметр Значение

Длина измерительного щупа 60 мм

Диаметр измерительного наконечника 2 мм

Температура окружающей среды 20 С0

Относительная влажность 82 %

Погрешность КИМ 1,7+L/333 мкм

Погрешность измерительного наконечника 1,7 мкм

Перед началом измерения каждой заготовки по поверхностям хвостовика трапециевидной формы была определена система координат лопатки. Каждая заготовка была измерена в 4 сечениях. Результаты измерения экспортировались в текстовые файлы для их последующей обработки в системе MATLAB.

В ходе экспериментальных исследований размерные параметры исследуемых заготовок лопаток вычислялись тремя способами:

1) с использованием разработанной методики (РМ);

2) с использованием методики, представленной в работе Печенина В.А. [47] (СП1);

3) при помощи приложения Curve Analizer компании Hexagon (СП2).

Результаты вычисления параметров R1, R2, b, Q, C2, Cmax представлены

в таблице 4.3. Отклонение вычисленных параметров исследуемых лопаток от их номинального значения представлено в таблице 4.4. Относительные отклонения параметров от их номинальных значений представлены в таблице 4.5.

На рисунках 4.9 - 4.11 показано относительное отклонение вычисленных параметров измеренных лопаток от их номинального значения.

Таблица 4.3 - Параметры измеренных лопаток ГТД

набор данных № лопатки R1, мм R2, мм Ь, мм С1, мм С2, мм Стах, мм

РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2

Высота сечения 15

номинал 0,762 0,354 44,100 2,154 1,057 5,340

1 2 0,906 0,942 0,943 0,431 0,369 0,436 44,289 42,484 44,348 2,325 3,069 2,332 1,292 1,173 1,291 5,378 5,245 5,378

2 115 0,855 1,011 1,007 0,515 0,674 0,590 44,066 44,053 44,127 2,436 2,439 2,435 1,544 1,545 1,544 5,482 5,482 5,482

3 144 1,083 1,076 1,057 0,397 0,454 0,412 43,983 43,961 44,026 2,642 2,641 2,653 1,309 1,307 1,309 5,430 5,430 5,430

4 203 0,817 0,787 0,782 0,233 0,243 0,223 44,103 44,093 44,139 2,372 2,364 2,357 1,062 1,062 1,062 5,944 5,946 5,944

5 356 0,920 0,925 0,953 0,325 0,363 0,353 42,491 42,464 42,563 2,497 2,510 2,503 1,328 1,327 1,328 5,270 5,270 5,270

Высота сечения 45

номинал 0,567 0,262 44,939 1,817 0,804 4,134

6 2 0,713 0,685 0,763 0,212 0,336 0,219 45,203 43,890 45,213 1,929 1,849 1,929 0,894 0,939 0,894 4,213 4,052 4,213

7 115 0,738 0,855 0,854 0,278 0,468 0,311 44,960 44,963 45,001 1,990 1,992 1,990 1,037 1,038 1,038 4,224 4,222 4,224

8 144 0,625 0,654 0,666 0,303 0,352 0,313 44,946 44,949 44,976 1,946 1,946 1,946 1,025 1,024 1,025 4,169 4,171 4,169

9 203 0,741 0,933 0,483 0,169 0,188 0,174 44,103 44,021 44,106 2,102 2,110 2,065 0,858 0,858 0,858 4,595 4,598 4,595

10 356 0,602 0,746 0,684 0,262 0,402 0,278 43,842 43,854 43,905 1,869 1,867 1,870 0,948 0,952 0,948 4,084 4,083 4,084

Высота сечения 85

номинал 0,401 0,203 45,758 1,098 0,539 2,430

11 2 0,289 0,402 0,307 0,144 0,168 0,153 45,880 44,831 45,884 1,095 1,143 1,095 0,623 0,614 0,623 2,464 2,333 2,464

12 115 0,500 0,678 0,479 0,202 0,368 0,233 45,829 45,839 45,862 1,340 1,341 1,337 0,692 0,705 0,692 2,533 2,534 2,533

13 144 0,308 0,359 0,338 0,212 0,250 0,224 45,715 45,726 45,728 1,164 1,163 1,164 0,739 0,740 0,739 2,513 2,511 2,513

14 203 0,587 0,577 0,552 0,102 0,116 0,143 44,203 44,191 44,213 1,623 1,623 1,622 0,601 0,599 0,601 3,067 3,067 3,067

15 356 0,343 0,384 0,350 0,156 0,173 0,186 44,815 44,814 44,815 1,149 1,147 1,149 0,616 0,622 0,616 2,356 2,354 2,356

Высота сечения 115

номинал 0,282 0,151 46,578 0,831 0,417 1,900

16 2 0,270 0,272 0,274 0,161 0,106 0,169 46,718 45,761 46,719 1,042 0,872 1,042 0,561 0,477 0,561 2,024 1,837 2,024

17 115 0,313 0,690 0,369 0,174 0,172 0,194 46,509 46,518 46,516 0,973 0,976 0,973 0,573 0,576 0,573 2,088 2,084 2,086

18 144 0,319 0,401 0,331 0,101 0,126 0,131 46,532 46,535 46,528 1,030 1,031 1,030 0,508 0,509 0,508 1,951 1,949 1,949

19 203 0,273 0,239 0,223 0,094 0,091 0,134 44,136 44,148 44,126 1,035 1,037 1,036 0,519 0,492 0,519 1,934 1,934 1,934

20 356 0,214 0,288 0,231 0,104 0,110 0,146 45,739 45,747 45,743 0,879 0,877 0,879 0,481 0,476 0,481 1,846 1,845 1,845

Таблица 4.4 - Отклонение параметров от номинального значения

набор данных R1, мм R2, мм Ь, мм С1, мм С2, мм Cmax, мм

РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ М1 М2

1 0,14 0,18 0,18 0,08 0,01 0,08 0,19 -1,62 0,25 0,17 0,92 0,18 0,24 0,12 0,23 0,04 -0,10 0,04

2 0,09 0,25 0,25 0,16 0,32 0,24 -0,03 -0,05 0,03 0,28 0,29 0,28 0,49 0,49 0,49 0,14 0,14 0,14

3 0,32 0,31 0,30 0,04 0,10 0,06 -0,12 -0,14 -0,07 0,49 0,49 0,50 0,25 0,25 0,25 0,09 0,09 0,09

4 0,05 0,02 0,02 -0,12 -0,11 -0,13 0,00 -0,01 0,04 0,22 0,21 0,20 0,00 0,00 0,01 0,60 0,61 0,60

5 0,16 0,16 0,19 -0,03 0,01 0,00 -1,61 -1,64 -1,54 0,34 0,36 0,35 0,27 0,27 0,27 -0,07 -0,07 -0,07

6 0,15 0,12 0,20 -0,05 0,07 -0,04 0,26 -1,05 0,27 0,11 0,03 0,11 0,09 0,14 0,09 0,08 -0,08 0,08

7 0,17 0,29 0,29 0,02 0,21 0,05 0,02 0,02 0,06 0,17 0,18 0,17 0,23 0,23 0,23 0,09 0,09 0,09

8 0,06 0,09 0,10 0,04 0,09 0,05 0,01 0,01 0,04 0,13 0,13 0,13 0,22 0,22 0,22 0,03 0,04 0,03

9 0,17 0,37 -0,08 -0,09 -0,07 -0,09 -0,84 -0,92 -0,83 0,29 0,29 0,25 0,05 0,05 0,05 0,46 0,46 0,46

10 0,03 0,18 0,12 0,00 0,14 0,02 -1,10 -1,09 -1,03 0,05 0,05 0,05 0,14 0,15 0,14 -0,05 -0,05 -0,05

11 -0,11 0,00 -0,09 -0,06 -0,03 -0,05 0,12 -0,93 0,13 0,00 0,04 0,00 0,08 0,07 0,08 0,03 -0,10 0,03

12 0,10 0,28 0,08 0,00 0,17 0,03 0,07 0,08 0,10 0,24 0,24 0,24 0,15 0,17 0,15 0,10 0,10 0,10

13 -0,09 -0,04 -0,06 0,01 0,05 0,02 -0,04 -0,03 -0,03 0,07 0,06 0,07 0,20 0,20 0,20 0,08 0,08 0,08

14 0,19 0,18 0,15 -0,10 -0,09 -0,06 -1,55 -1,57 -1,55 0,53 0,53 0,52 0,06 0,06 0,06 0,64 0,64 0,64

15 -0,06 -0,02 -0,05 -0,05 -0,03 -0,02 -0,94 -0,94 -0,94 0,05 0,05 0,05 0,08 0,08 0,08 -0,07 -0,08 -0,07

16 -0,01 -0,01 -0,01 0,01 -0,04 0,02 0,14 -0,82 0,14 0,21 0,04 0,21 0,14 0,06 0,14 0,12 -0,06 0,12

17 0,03 0,41 0,09 0,02 0,02 0,04 -0,07 -0,06 -0,06 0,14 0,14 0,14 0,16 0,16 0,16 0,19 0,18 0,19

18 0,04 0,12 0,05 -0,05 -0,02 -0,02 -0,05 -0,04 -0,05 0,20 0,20 0,20 0,09 0,09 0,09 0,05 0,05 0,05

19 -0,01 -0,04 -0,06 -0,06 -0,06 -0,02 -2,44 -2,43 -2,45 0,20 0,21 0,20 0,10 0,08 0,10 0,03 0,03 0,03

20 -0,07 0,01 -0,05 -0,05 -0,04 0,00 -0,84 -0,83 -0,84 0,05 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 -0,05 -0,05 -0,05

Среднее 0,07 0,14 0,08 -0,01 0,03 0,01 -0,44 -0,70 -0,42 0,20 0,22 0,20 0,16 0,15 0,16 0,13 0,10 0,13

Таблица 4.5 - Относительное отклонение параметров от номинального значения

набор данных Rl, % R2, % Ь, % С!, % С2, % Cmax, %

РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ СП1 СП2 РМ М1 М2

1 18,9 23,6 23,7 21,7 4,2 23,2 0,4 3,7 0,6 7,9 42,5 8,3 22,3 11,0 22,2 0,7 1,8 0,7

2 12,2 32,7 32,2 45,4 90,5 66,5 0,1 0,1 0,1 13,1 13,2 13,1 46,1 46,2 46,1 2,7 2,7 2,7

3 42,1 41,2 38,7 12,2 28,3 16,4 0,3 0,3 0,2 22,7 22,6 23,2 23,9 23,7 23,9 1,7 1,7 1,7

4 7,2 3,3 2,6 34,2 31,4 37,1 0,0 0,0 0,1 10,1 9,7 9,4 0,5 0,4 0,5 11,3 11,3 11,3

5 20,8 21,4 25,0 8,3 2,6 0,2 3,6 3,7 3,5 15,9 16,5 16,2 25,7 25,6 25,6 1,3 1,3 1,3

6 25,7 20,8 34,6 19,1 28,1 16,3 0,6 2,3 0,6 6,1 1,7 6,1 11,2 16,8 11,2 1,9 2,0 1,9

7 30,2 50,8 50,7 6,1 78,4 18,8 0,0 0,1 0,1 9,5 9,6 9,5 29,0 29,1 29,0 2,2 2,1 2,2

8 10,2 15,4 17,5 15,6 34,3 19,5 0,0 0,0 0,1 7,1 7,1 7,1 27,5 27,4 27,5 0,8 0,9 0,8

9 30,7 64,6 14,7 35,6 28,2 33,5 1,9 2,0 1,9 15,7 16,1 13,6 6,7 6,8 6,7 11,2 11,2 11,2

10 6,1 31,6 20,6 0,1 53,5 6,2 2,4 2,4 2,3 2,9 2,8 2,9 17,9 18,5 17,9 1,2 1,2 1,2

11 28,0 0,2 23,4 28,8 16,8 24,3 0,3 2,0 0,3 0,3 4,1 0,3 15,6 13,9 15,6 1,4 4,0 1,4

12 24,6 69,2 19,6 0,0 81,7 15,0 0,2 0,2 0,2 22,0 22,2 21,8 28,3 30,8 28,4 4,3 4,3 4,3

13 23,3 10,5 15,7 4,9 23,6 10,8 0,1 0,1 0,1 6,0 5,9 6,0 37,2 37,4 37,2 3,4 3,3 3,4

14 46,4 44,0 37,6 49,5 42,6 29,4 3,4 3,4 3,4 47,9 47,8 47,7 11,5 11,1 11,6 26,2 26,2 26,2

15 14,3 4,2 12,8 22,8 14,8 8,2 2,1 2,1 2,1 4,6 4,5 4,6 14,3 15,5 14,3 3,1 3,1 3,1

16 4,0 3,2 2,7 7,2 29,5 12,1 0,3 1,8 0,3 25,4 5,0 25,4 34,4 14,4 34,5 6,5 3,3 6,5

17 11,3 145,0 31,2 15,6 14,4 28,6 0,1 0,1 0,1 97,9 97,9 97,9 37,4 38,0 37,4 9,9 9,7 9,8

18 13,4 42,3 17,6 32,8 16,3 12,9 0,1 0,1 0,1 97,8 97,8 97,8 21,9 22,2 21,9 2,7 2,6 2,6

19 3,0 15,0 20,8 37,6 39,4 11,2 5,2 5,2 5,3 97,8 97,8 97,8 24,4 18,0 24,4 1,8 1,8 1,8

20 24,0 2,2 17,9 30,9 26,6 3,0 1,8 1,8 1,8 98,1 98,1 98,1 15,4 14,1 15,4 2,8 2,9 2,9

Среднее 19,8 32,1 23,0 21,4 34,3 19,7 1,1 1,6 1,1 30,4 31,1 30,3 22,6 21,0 22,6 4,9 4,9 4,8

—РМ

•*-ст