3.2.4. Анализ качественных показателей

ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ЛОПАТКИ.

В процессе создания монокристаллической исходной заготовки используется большое количество операций, качество исполнения которых, непосредственно влияет на выходные характеристики лопаток. На рисунке 3.8 представлена комплексная схема размерных связей пера лопатки исходной заготовки полученной методом монокристаллической отливки В схеме представлены данные только для одного сечения лопатки. В верхней части рисунка в сечении 2-2, которое расположено относительно координатной системы XизYиз измерения заготовки на расстоянии yз = 6 мм. показаны геометрические параметры четырех точек, которые заданы размерами К2 = 3,850.2 мм., С2 = 11,490,2 мм. Эти размеры определяют положение точек профиля пера в заданном сечении (см. табл 3.1) со стороны спинки и корыта. Размеры К3=К4=1,10,25 мм. определяют толщину стенки лопатки .В связи с тем, что производство исходной заготовки предусматривает получение ее без припуска по перу, то размеры определяющие толщину стенок лопатки должны соответствовать значениям заданным в чертеже готовой детали, т.е. размерам К3 и К4 выполняются окончательно. Размеры К2 и С2 окончательно будут сформированы после изготовления лопатки в механическом цехе в процессе шлифования профиля елочного замка. При выполнении этой операции шлифованием необходимо обеспечить профиль замковой части и положение его относительно профиля пера. В принятой схеме обработки основных элементов лопатки условие формирования профилей пера и замка осуществляется относительно общих технологических установочных базовых поверхностей (рисунок 3.5).

В приведенном анализе, проводится оценка точности исполнения параметров исходной заготовки полученной в процессе выполнения монокристаллической отливки на первом этапе комплексного технологического процесса, без учета дальнейшей механической обработки.

Размеры внутренней полости охлаждения лопатки определяются качеством исполнения нескольких операций : изготовлением керамического стержня в пресс-форме; сушке в печи и последующей правка (в случае необходимости) и др. На этих операциях создаются необходимые размеры керамического стержня с учетом возможной усадки и коробления в процессе сушки. При установке стержня в полость пресс-формы модели возникают погрешности, которые влияют на положение образующих поверхностей стержня и как следствие на размеры толщины стенок лопатки. Операции по созданию модели лопатки, формированию внутренней полости литейной формы в процессе нанесения огнеупорного многослойного покрытия , последующая сушка и прокаливание этой формы создают необходимую точность профиля пера лопатки и положение его относительно технологических баз. При заливке металла в форму и его остывании происходит изменение геометрических параметров исходной заготовки. Систематические составляющие этих погрешностей учитываются при доводке моделей, форм, режимов выполнения операций и других элементов и параметров технологического процесса. Аналитическое определение этих погрешностей затруднительно. В связи с этим при проектировании оснастки, выборе режимов выполнения операций при назначении методов и средств исполнения элементов исходной заготовки применяются аналитические и статистические зависимости полученные в процессе теоретико-экспериментальных исследований изготовления исходной заготовки.

Статистические исследования позволяют в процессе освоения производства определить величины систематических составляющих производственных погрешностей и поля рассеивания случайных составляющих. Эти данные используют для коррекции параметров оснастки и режимов обработки. Они позволяют наметить конструкторско-технологические мероприятия по стабилизации составляющих параметров производства и обеспечить рекомендуемые значения коэффициентов (Кт) точности (см. п.п2.3).

На рисунке 3.6 приведены некоторые статистические данные, полученные по методике [17, 18, 19]. Эти данные использованы при доводке производства и применены для комплексного анализа монокристаллических исходных заготовок.

Величина усадки керамического стержня в анализируемом сечении 2-2, рисунок 3.6, рассмотрена при сушке стержней в печах (N2 и N4).При статистическом анализе данных принимались значения размеров стержней ( рисунок 3.6а ) полученные при обработке в печи N2 и данные (рисунок 3.6б) полученные при обработке стержней в печи N4. Анализ проводился для партии стержней в количестве 65 штук для каждой печи. Полученные результаты позволяют определить поле рассеивания производственных погрешностей и характер распределения случайных  = 0,7 мм., = 0,6 мм., соответственно для печи №2 и №4 и систематических составляющих по одному элементу технологического процесса - - изготовления керамических стержней. Сравнивая эти значения с данными значениями для сырых стержней , производится корректировка исполнительной оснастки и режимов обработки. На рисунке 3.6в и 3.6г приведены значения размеров длин сырых и отожженных керамических стержней в печах N2 и N4. Величина усадки отожженного стержня по длине ho рис.3.6 в сравнении с не отожженными (сырыми) hc стержнями составляет:

сист.у.Xo-Xс = 1,674 мм. 

Поле рассеивания h случайных составляющих рассматриваемых параметров имеет соответственно значения 0,4 и 05 мм. для разных печей (рисунок.3.6 в, г).

Полученные результаты позволяют производить конструкторско-технологические мероприятия по улучшению характеристик качества составляющих элементов производства, выделяя при этом наиболее значимые составляющие, которые вносят значительные изменения анализируемого суммарного параметра качества.

На основании известных значений составляющих параметров из чертежей оснастки, технологических процессов изготовления отдельных элементов исходной заготовки лопатки, а также на основании статистических данных исследований проведем анализ исполнения заданной точности основных размеров исходной заготовки.

Анализ точности основных геометрических параметров

исходной заготовки

Представленная на рисунке 3.8 комплексная схема размерных связей основных операций технологических процессов показывает неразрывную взаимосвязь составляющих параметров. По мере изготовления элементов заготовки и использования технологической оснастки, в соответствии с маршрутной технологией исходной заготовки (рис.3.3) составлена эта комплексная схема. Методом последовательного наращивания параметров, характеризующих изменения происходящие при изготовлении, т.е. от частного к общему (см. п.п.2.3.) составлена данная схема.

На основании этой схемы и известных значений составляющих параметров проведем анализ выполнения заданных чертежных значений размеров К2, С2, К3 и К4.

Необходимо отметить , что из всего множества точек, которые определяют точность пера лопатки и точность расположения этого пера относительно координатной системы Xиз Yиз приняты четыре точки, которые характеризуют точность изготовления всего комплекса геометрических параметров профиля пера лопатки. Методика анализа точности основана на теории размерных связей в изделиях и технологических процессах [10,15,19,20,21].

При создании монокристаллической исходной заготовки можно выделить три комплекса работ.

В первом комплексе (рисунок 3.8) выполняются следующие операции:

• подготовка модельной формы;

• установка в модельную форму керамического стержня;

• заполнение модельной формы легкоплавкой смесью; 

• остывание, сушка и доводка модельной формы;

• сборка модельного блока;

• нанесение многослойного керамического покрытия .

Во втором комплексе работ выполняются следующие операции:

• удаление из модельных форм легкоплавкой смеси ;

• сушка модельного блока ;

• контроль модельного блока ;

• калка модельного блока.

В третьем комплексе осуществляются следующие операции:

• установка модельных блоков в опоки и засыпка их графитовой смесью;

• установка шихты в литниковую чашу;

• загрузка опок в тоннельную печь ;

• вакуумирование, нагрев, охлаждение и кристаллизация заготовки;

• выбивание исходной заготовки из керамической формы;

• доработка исходной заготовки.

При выполнении этих основных операций происходит формирование качественных показателей исходной заготовки. В комплексной схеме (рисунок 3.8) представлены размерные связи вышеперечисленных операций. Эта схема построена на основании технологического процесса изготовления исходной заготовки (рисунок 3.3) и операции №65 (рисунок 3.10).

Геометрические параметры и допуски на составляющие элементы операций, точность применяемой оснастки, статистические данные полученные при анализа отдельных элементов процесса позволяют провести оценку выполнения заданных значений параметров пера лопатки (К2, С2, К3, К4) на первом этапе изготовления.

Составляющие параметры размерных связей, представленные в комплексной схеме определяют:

лор – расчетная величина переноса координатной системы к базовой оси установочных поверхностей исходной заготовки;

ло – расчетная величина смещения «оси» литейной формы относительно установочных поверхностей исходной заготовки;

л1 - толщину керамического стержня в сечении 2 - 2;

л2 - положение вогнутой части профиля керамического стержня относительно базовой установочной поверхности Б (рисунок 3.6);

л3 - положение образующей профиля корыта модели в заданной точке до заливки легкоплавкой смеси;

л4 - положение образующей профиля спинки модели в заданной точке до заливки легкоплавкой смеси;

л5 - изменение положения «оси заготовки» образованной комплексом базовых поверхностей 7, 9, 8, 10 после сушки и калки керамического блока форм;

л6, л7 - изменение положения образующей профиля спинки и корыта в заданных точках за счет усадки модели и сушки керамического блока форм;

л8, л9 - изменение положения образующих керамического стержня при сушке и калке форм;

л10 - изменение положения «оси заготовки» после заливки расплавленного металла в форму и остывания этого металла в процессе кристаллизации;

л11, л12, л13, л14 - изменения положения образующей профиля исходной заготовки относительно образующей формы за счет усадки металла исходной заготовки в процессе заливки и остывания металла.

Размеры ло и лор являются постоянными величинами и определяют перенос измерительной и расчетной координатной системы в удобное для контроля и расчетов положение.

В связи с тем, что в данной комплексной схеме приведены упрощенные линейные размерные связи, то при анализе качественных показателей исходной заготовки, в соответствии с основным правилом линейных размерных цепей, будем использовать, при расчетах, величины возможных погрешностей и полей рассеивания составляющих параметров в направлении замыкающего звена.

При анализе толщины (л1) керамического стержня при его формировании в двух полу формах (рисунок 3.9) в процессе прессования и сушки имеют место следующие составляющие параметры:

с1 и с2 - параметры, определяющие расположение рабочих профилей пресс форм относительно установочных поверхностей соединения этих полу форм;

с3 - параметр, определяющий плотность соединения полу форм в процессе их сборки;

с4 и с5 - изменения положения образующей поверхности стержня в процессе остывания керамической массы в пресс форме.

Сумма полей рассеивания данных составляющих параметров определяет ожидаемые значения толщины керамических стержней в изготовляемой партии.

Принимая, поля рассеивания i в соответствии технологическими значениями, полученными из чертежей оснастки, операционных карт и статистических данных анализа имеем:

с1 = 0,06 мм; с2 = 0,06 мм; с3 = 0,02 мм;

с4 = 0,2 мм; с5 = 0,2 мм.

В этом случае суммарная величина поля рассеивания ( = аi).

Поле рассеивания толщины стержня равно:

л1 = с1 + с2 + с3 + с4 + с5 = 0,54 мм.

Эта величина больше заданного, доустимого значения 0,1 мм.

Из этой суммы значений составляющих параметров, видно , что значительным источником погрешностей в принятой схеме формирования качественных показателей керамических стержней, является процесс усадки и сушки их в полу формах.

Анализ размерных связей основных параметров (К2, С2, К3, К4) исходной заготовки.

В соответствии с комплексной схемой (рисунок. 3.8) и известными значениями полей рассеивания составляющих параметров имеем;

ПОЛЕ рассеивания К2, размера К2, равно сумме полей рассеивания составляющих звеньев, т. е.:

к2 = i = лор+л10+л5+ло+л3+л7+л12  Тк2  0,4 мм.

Принимая известные значения составляющих звеньев, в соответствии с технологическим процессом и статистическими данными исследований имеем:

лор = ло = 0(соnst); л10 = 0,15 мм.; л5 = 0,1 мм.;

л3 = 0,1 мм.; л7 = 0,05 мм.; л12 = 0,08 мм.,

тогда получим: К2 = 0,48 мм.

ПОЛЕ рассеивания С2, размера С2 определяется суммой составляющих параметров:

С2 = i = лор+ л10+л5+ло+л4+л6+л11 Тс2  0,4 мм.

Принимая значения составляющих параметров:

лор = ло = 0(соnst); л10 = 0,15 мм; л5 = 0,1 мм;

л4 = 0,1 мм; л6 = 0,05 мм; л11 = 0,08 мм.

имеем: С2 = 0,48 мм.

При анализе толщины стенок (размеры К3 и К4) исходной заготовки имеем следующее уравнение:

ПОЛЕ рассеивания К3, размера К3 определяется суммой полей рассеивания составляющих звеньев, т. е.:

К3 = i = л11+л6+л4+л2+л1+л8+л13  Тк3  0,55 мм.

Принимая известные значения составляющих параметров:

л11 = 0,08мм.; л6 = 0,05мм.; л4 = 0,1мм.; л2 = 0,1мм. л1 = 0,54мм.; л8 = 0,05мм.; л13 = 0,08мм.,

имеем: К3 = 1 мм.

ПОЛЕ рассеивания К4, размера К4 определяется суммой составляющих параметров:

К4 = i = л12+л7+л3+л2+л9+л14 ТК4  0,55 мм.

Принимая известные значения составляющих параметров:

л12 = 0,08 мм; л7 = 0,05 мм; л3 = 0,1 мм;

л2 = 0,1 мм; л9 = 0,05 мм; л14 = 0,08 мм,

имеем: К4 = 0,46 мм.

Необходимо отметить, что приведенные значения полей рассеивания основных геометрических параметров исходной заготовки имеют завышенные значения, т.к. представленное суммирование не учитывает вероятностные законы распределения и виды производственных погрешностей составляющих параметров.

Для оценки наиболее вероятных значений анализируемых параметров использована методика суммирования составляющих параметров с учетом теоретико-вероятностных законов распределения, разработанная авторами [10, 14, 15].

Коэффициенты суммирования (К) производственных погрешностей позволяют определит ожидаемые вероятные значения на основании формулы:

n

Вер.  К   i,

i = 1

где: К - коэффициент теоретико-вероятностного суммирования.

Коэффициент получен на основании методики [10,14,15].Эта методика позволяет определить коэффициенты теоретико-вероятностного суммирования (К) на основании композиционных предельных законах распределения составляющих параметров размерных цепей различного вида. Возможные значения коэффициента теоретико-вероятностного суммирования лежат в пределах от 0 до 1.

Методика определения коэффициентов суммирования скалярных погрешностей позволяет учитывать следующие параметры:

 m - количество составляющих звеньев анализируемой размерной цепи;

•  - коэффициент определяющий соотношение систематической и случайной составляющих производственной погрешности;

• d - отношение максимального поля рассеивания погрешности составляющего параметра к минимальному полю рассеивания параметра анализируемой размерной цепи;

• р - процент производственного риска.

Для нашего примера, коэффициенты теоретико-вероятностного суммирования соответственно равны:

• для поля рассеивания толщины керамического стержня л1 = 0,54 мм., полученного арифметическим суммированием имеем:

m = 5;  = 0,3; d = 0,15/0,08  2; p = 0,027%.

Тогда, К = 0,63 (см. приложение 1),

или Вер.л1 = Кл1 = 0,630,54 = 0,3402 мм.

Для поля рассеивания К2, размера К2, определяющего положение контура лопатки со стороны корыта относительно принятой координатной системы ХизYиз измерения, арифметическая сумма составляет:

К2 = 0,48 мм.

Так как m = 5;  = 0,3; d = 0,15/0,05 = 3; p = 0,027%,

то К = 0,68.

Тогда Вер.К2 = Кк2 = 0,680,48 мм.= 0,3264 мм.

Вер.к2 = 0,3264 мм.

• для поля рассеивания С2, размера С2, определяющего положение контура лопатки со стороны спинки относительно принятой координатной системы XизYиз измерения,

С2 = 0,48 мм.

Так как m = 5;  = 0,3; d = 0,15/0,05 = 3; p = 0,027%,

то К = 0,68.

Тогда Вер.С2 = КС2 = 0,680,48мм. = 0,3264 мм.

Вер.С2 = 0,3264 мм.

• для поля рассеивания К3, размера К3, определяющего толщину стенки со стороны спинки соответствует к3 =1мм.

m = 7;  = 0,3; d = 0,54/0,05 11; p = 0,027%;

К = 0,82.

Тогда Вер.К3 = КК3 = 0,821 = 0,82 мм.

Вер.К3 = 0,82 мм.

• для поля рассеивания.К4, размера К4, определяющего толщину стенки со стороны корыта соответствует,

К4 = 0,46 мм.

Так как m = 6;  = 0,3; d = 0,1/0,05 = 2; р = 0,027%,

то К = 0,8.

Тогда, Вер.К4 = КК4 = 0,60,46 = 0,276 мм.

К4 = 0,276 мм.

Заданные значения допусков на основные параметры исходной заготовки и вероятные значения возможных полей рассеивания этих параметров сведены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6.

Допуски на основные геометрические параметры исходной заготовки
Тк2	Тс2	Тк3	Тк4
0,4 мм.	0,4 мм.	0,55 мм.	0,55 мм.
Вероятные значения полей рассеивания основных параметров исходной заготовки
к2	с2	к3	к4
0,3264 мм.	0,3264 мм.	0,82 мм.	0,276 мм.
Значение коэффициента (Кт) точности производства исходной заготовки.
0,816 0,816 1,5 0,5

Из приведенной таблицы видно, что поле рассеивания толщины стенки лопатки со стороны спинки превышает допустимые, заданные значения на размер К3. Это объясняется наличием значительной погрешности базирования керамического стержня в модельной литейной форме, а также короблением стержня в процессе сушки и отжига

Повышение требований к выполнению операций по изготовлению стержней, а также увеличение точности центрирования стержня в модельной форме, улучшение режимов работы печей и оснастки позволят улучшить этот параметр и как следствие исключить брак заготовок, возможный на этих операциях.

Для оценки состояния производства исходных заготовок определим коэффициент точности (Кт) [10].

Коэффициенты точности (Кт см. п\п 2.3) для анализируемых размеров К2 и С2 равны:

КтК2 = К2 Тк2 = 0,3264/0,4 = 0,816,

КтС2 = С2/ Тс2 = 0,3264/0,4 = 0,816.

На основании этих значений и рекомендаций приведенных в п\п 2.3 можно сделать вывод, что изготовление заготовок ведется с малым запасом точности. Это вызывает необходимость в процессе доводки профиля пера лопатки использовать механическую обработку. Кроме этого необходимо учесть, что на втором (механическом) этапе обработки заготовок выполнение размеров, определяющий положение елочного замка относительно пера в пределах допустимого смещения не более О,2 мм. усложняет процесс формирования окончательных размеров лопаток турбины.

Размер К3 имеющий коэффициент точности КтК3 = 1,6 приводит к появлению значительного брака по утонению стенки пера лопатки, что удорожает процесс производства и снижает качество продукции. Это требует проведения конструкторско-технологических мероприятий по совершенствованию процесса изготовления комплектующих деталей литейной формы и уменьшения параметров рассеивания режимов обработки.

Размер К4 выполняется с коэффициентом точности КтК4 = 0,5. Этот коэффициент показывает о качественном исполнении данного параметра лопатки. Коэффициенты точности анализируемых параметров сведены в таблицу 3.6.