Разработка методики моделирования и исследование процесса измерения деталей ГТД на координатно-измерительных машинах

Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) является сложным объектом, который характеризуется высокой точностью исполнения отдельных деталей сборочных единиц и изделия в целом. Обеспечение точности геометрических параметров (ГП) деталей осуществляется технологией производства и сборки ГТД [33, 40, 49, 53, 54, 59, 67]. При этом важнейшей составляющей любого технологического процесса является технология контроля геометрических параметров.

Авиационный ГТД включает в себя широкую номенклатуру деталей, которые имеют свою специфику по сравнению с другими отраслями машиностроения. Детали отличаются сложной конфигурацией, определяемой конструкцией изделия. Поэтому к ним предъявляются жесткие требования по геометрической точности, реализуемые в применяемых технологических процессах.

Основным способом реализации технологий контроля геометрических параметров авиационных ГТД традиционно является проектирование специальных контрольно-измерительных приспособлений (КИП) [4, 75, 76, 77]. Они зачастую рассчитаны на контроль одного или нескольких геометрических параметров для одной или ряда близких по конструктивным особенностям деталей. Контрольно-измерительные приспособления позволяют определять действительные значения размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей в пределах допустимой погрешности.

Такой подход имеет ограничения по своему применению в силу ряда причин. Первой из них является постоянный рост требований к снижению величины погрешности измерения геометрических параметров деталей ГТД. Второй причиной является необходимость изготовления широкой номенклатуры контрольно-измерительных приспособлений и соответственно большие затраты на контроль деталей, особенно характерные для опытного и мелкосерийного типов производств. Третьей причиной является невозможность быстрого освоения производства новых изделий, так как процесс проектирования, изготовления и аттестации КИП является достаточно длительным.

Перспективным подходом к построению технологий контроля является использование современных трех осевых координатно-измерительных машин (КИМ). Эти средства контроля характеризуются широкой универсальностью, высокими точностными характеристиками. Важным преимуществом координатно-измерительных машин по сравнению с контрольно измерительными приспособлениями является возможность исследования геометрии поверхностей деталей с требуемой дискретностью по сравнению с реализуемым двухи трехточечным подходом в контрольно-измерительных приспособлениях [4, 76, 77]. В комплексе с современными компьютерными технологиями поддержки, обработки и визуализации данных, применение КИМ позволяет проводить глубокий всесторонний анализ измеряемых размеров, формы и взаимного расположения участков деталей [71, 99, 125, 134].

Актуальность работы.

Обеспечение точности контроля геометрических параметров деталей требует оценки погрешности измерения и создания условий, при которых точность измерений будет находиться в допустимых пределах.

Точность измерения координатно-измерительных машин (КИМ) зависит от параметров точности КИМ (которые проходят ежегодную аттестацию [94]) и используемых методик измерения [61, 84]. В настоящее время аттестация методик измерения деталей ГТД для координатно-измерительных машин зачастую в отрасли не производится [7, 8, 47, 48]. Имеющиеся же общие рекомендации по построению методик измерения не могут гарантировать требуемого уровня погрешности измерения [106, 109, 110, 111]. Важными параметрами методик измерения деталей является количество измеряемых точек и схема их расположения по поверхности. Эти параметры влияют на результирующую точность измерения. Определение рационального количества измеряемых точек является актуальным, поскольку позволит существенно повысить эффективность использования КИМ в условиях производства при обеспечении требуемой точности контроля.

В то же время разработка методик измерений позволит исключить влияние квалификации оператора на достоверность контроля.

Цель работы. Разработка методики моделирования и исследование процесса координатных измерений для обеспечения достоверности контроля геометрических параметров деталей ГТД.

Объект исследований. Процесс производства деталей газотурбинных двигателей.

Предмет исследований. Процесс измерения геометрических параметров деталей ГТД с использованием координатно-измерительных машин.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования осуществлялись методами математического моделирования с использованием теории вероятностей, математической статистики и аналитической геометрии путём разработки и реализации программных алгоритмов в системе МАТГАВ. Экспериментальные исследования осуществлялись на опытных образцах и серийных деталях ГТД с использованием координатно-измерительных машин в СГАУ и на ОАО «Кузнецов».

Научная новизна.

1. Предложен новый способ моделирования процесса координатных измерений, отличающийся от существующего использованием координат точек, полученных в результате измерения реальных поверхностей деталей.

2. Разработана обобщённая методика моделирования процесса координатных измерений, позволяющая получать оценки погрешностей измерения геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов.

3. Для оптимизации процесса моделирования измерений впервые предложена модель, основанная на модульном представлении измеряемых поверхностей. В основе модели заложена идея формирования и накопления «модулей» измеряемых поверхностей в базе данных. «Модули» формируются с использованием обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений и представляют собой информацию о методах обработки поверхностей и оценках погрешностей измерения их геометрических параметров при учёте влияния на процесс измерения параметров методик измерения.

4. Сформированы критерий и дополнительные условия для определения рационального количества измеряемых точек, направленные на повышение эффективности использования КИМ.

5. Разработан регламент подтверждения достоверности оценок погрешностей измерения, получаемых с помощью обобщенной методики моделирования.

На защиту выносятся:

— обобщенная методика моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов;

— модель «модульного» моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров размерных комплексов;

— алгоритмы, формирующие разработанную обобщённую методику моделирования;

— модель определения рационального количества точек измерения на поверхностях деталей;

— результаты исследований погрешностей измерений геометрических параметров деталей «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных методик и модели «модульного» моделирования процесса измерения на КИМ для обеспечения точности и повышения эффективности контроля геометрических параметров деталей типа «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и восьми приложений. Общий объём диссертации составляет 204 страниц, 74 рисунков и 7 таблиц.