2.4. Построение технологических процессов изготовления лопаток турбины

Лопатки турбины изготавливают из литейных и реже деформируемых жаропрочных сплавов.

Заготовки из литейных сплавов получают литьем по выплавляемым моделям (прецизионное литье в оболочковые формы), а из деформируе­мых сплавов - горячим объемным деформированием. Характерными особенностями для современных литейных жаропрочных сплавов являет­ся многокомпонентный состав и многофазное строение сплава.

Литые заготовки лопаток турбины. Производство лопаток турбин из литых заготовок является более экономичным и технологичным, чем из штампованных. При вакуумной плавке технологические отходы металла (литниковая система, выпоры и др.) не окисляются. Их можно использо­вать повторно при плавке. Это относится и к забракованным отливкам и лопаткам.

В настоящее время литье по выплавляемым моделям (в оболочковые формы) является единственным методом, который позволяет в промыш­ленном масштабе наиболее экономично получать заготовки рабочих и сопловых лопаток турбины, не нуждающихся в последующей обработке.

Несмотря на значительный прогресс в технологии и средствах произ­водства литых лопаток турбин ГТД, брак в литейных цехах составляет все еще большой процент.

До 50 % лопаток бракуется по причине коробления стержня, смеще­ния и полома в процессе прокаливания формы и заливки ее сплавом.

В технологическом процессе изготовления отливки охлаждаемой ло­патки турбины можно выделить следующие основные этапы:

изготовление керамического стержня;

изготовление модели лопатки;

сборка моделей лопаток в блоки (секции);

приготовление огнеупорной суспензии, окраска и сушка секций лопаток;

удаление модельной массы из оболочек;

прокалка оболочек;

плавка металла, заливка оболочек и кристаллизация отливок;

разрезка секций;

удаление керамических стержней;

контроль отливок лопаток.

Изготовление керамических стержней. Составы для изготовления стержней должны удовлетворять следующим условиям:

хорошо заполнять полость пресс-формы и четко воспроизводить ее внутренний профиль без неспаев и ликваций пластификатора;

иметь низкую адгезию к материалу пресс-формы и обеспечивать лег­кий съем стержня с пресс-формы;

обладать достаточной «сырой» прочностью и высокой прочностью после обжига (допускаемое напряжение изгиба не менее 8 ... 9 МПа и 30 МПа соответственно);

иметь минимальную усадку не более 0,3 ... 0,5 %;

быстро отверждаться в пресс-форме;

иметь малую химическую стойкость к раствору, используемому для удаления стержня из отливки лопатки.

Для изготовления стержней обычно применяются формовочные смеси на основе электрокорунда (24А, 25А) с добавками глинозема Г-00, связки (карбид кремния, силаксановые и полиалюмосилаксановые смолы К-40, К0-086, дистен-силлиманитовый концентрат и др.), специальные соеди­нения для управления спеканием (Nb02, V205), пластификатор Ппэ-2,5; Ппэ-10. Пластификатор Ппэ-2,5, например, представляет собой смесь высокоочищенного парафина с 2,5 % полиэтилена. Приготовление пла­стификатора выполняется в обогреваемом смесителе барабанного типа.

На ММПП «Салют» разработаны керамические смеси на основе Zr02, которые обладают более высокой прочностью и термостойкостью, чем смеси на основе А1203. При создании стержневой керамики была решена задача формирования композиции, разрушающейся в щелочах. Исполь­зование мелкодисперсного кремнезема и карбида кремния, хорошо рас­творимых в щелочах и дополнительно введенных в стержневой состав Nb02 или V02, позволило получить высококачественную стержневую керамику.

Технологический процесс получения стержня можно разделить на не­сколько основных этапов:

подготовка исходных материалов (сушка, измельчение и т.д.); приготовление стержневой смеси; прессование стержней; рихтовка сырых стержней; укладка стержней в короба; обжиг стержней (твердофазное спекание);

извлечение стержней из коробов и обдувка стержней;

контроль и зачистка стержней; пропитка стержней в растворе лака (КО-815) с выдержкой до прекраще­ния выделения пузырьков воздуха;

сушка стержней при температурах 80 ... 100°.

На рис. 2.27 показан керамический стержень из белого электрокорунда.

Прочность на изгиб при длитель­ном воздействии высоких температур является определяющим показателем качества стержней. Предельные зна­чения прочности керамики при темпе­ратурах 1300 ... 1350 °С составляют 8 ... 11 МПа, что достаточно для сопротивления давлению жидкого металла. Более низкая прочность приво­дит к короблению стержней и неравномерности толщины стенок лопат­ки, а более высокая создает опасность появления трещин во внутренней полости вследствие ухудшения податливости стержня.

Рис. 2.27. Керамический стержень

Изготовление модели лопатки. Материалом для изготовления мо­дельных масс могут служить парафин, стеарин, канифоль, церезин, поли­стирол, пластмассы, битум нефтяной и др.

В настоящее время для этих целей в основном используются модель­ные массы, состоящие из карбомида (мочевины) марки А, селитры ка­лиевой марок А, Б, В, технического силикагеля, а также водораствори­мый полимерный модельный состав.

Модели лопаток формируются в разъемных стальных пресс-формах. Размеры ее рабочей зоны рассчитываются с учетом усадки модельного состава и металла отливки при охлаждении. Рабочие поверхности пресс- формы покрываются тонким слоем смазки (смесь 50 %-го этилового спирта и 50 %-го касторового масла). Стержень вкладывается в матрицу корыта пресс-формы. Собранная пресс-форма вакуумируется, заливается модельный состав, и производится прессование модели лопатки, затем зачистки облоя, заусенцев и контроль модели.

Сборка моделей лопаток в блоки (секции) производится в кондукторе, что обеспечивает высокую точность взаимного расположения моделей лопатки и литниковой системы.

Приготовление огнеупорной суспензии, окраска и сушка секций лопа­ток. Керамическая оболочка формируется из 7 ... 12 последовательно наносимых слоев, получаемых керамической обмазкой и обсыпкой элек­трокорундом. Керамическая обмазка представляет собой смесь электро­корунда и этилсиликата ЭТС-40. При нанесении каждого слоя блоки (секции) моделей погружают 2 ,v 3 раза в ванну с обмазкой, а затем производят обсыпание электрокорундом для улучшения связи между слоями и предотвращения растрескивания. Толщина каждого слоя со­ставляет 1 ... 1,5 мм. Последний (закрепляющий) слой наносят без об­сыпки зернистым материалом. После нанесения каждого слоя произво­дится сушка сначала на воздухе (в вытяжном шкафу) в течение 2 ч, а за­тем в аммиачно-газовой среде в течение 40 ... 50 мин. Сушка каждого слоя контролируется погружением пробной модели в гидролизованный этилсиликат: слой не должен отставать и растрескиваться. Для отверде­ния огнеупорного покрытия при формировании оболочковых форм по выплавляемым моделям применяется также вакуумно-аммиачная обра­ботка модельных блоков в сушилках «УВС-3».

Для получения оболочковых форм можно использовать и другие со­ставы керамических обмазок, например связующее «Силан 101».

Удаление модельной массы из оболочек. Модельные массы на основе мочевины и других водорастворимых связующих удаляются водой при темпера­туре 25 ... 35 °С, подаваемой под давлением. Затем очищен­ная оболочка промывается в ванне с подкисленной водой. Вытопка модельной массы может выполняться в пароавтоклавах (рис. 2.28).

Рис 2.28. Пароавтоклав для выплавления моделей в насыщенных водных парах

Прокалка оболочек производится после удаления модельной массы и сушки. Оболочки помещают в камерную печь с температурой не выше 700 °С, затем температура увеличивается до 1085 ± 15 °С, произво­дится обжиг в течение 6 ... 8 ч и последующее охлаждение печью до температуры 800 °С.

Плавка металла, заливка оболочек и кристаллизация отливок. Литьем получают заготовки с поликристаллической равноосной структурой, с направленной кристаллизацией (НК) и монокристаллические, имеющие столбчатую дендритную структуру.

Повысить качество литых заготовок из жаропрочных сплавов можно, выплавляя их в вакуумных индукционных печах. Для получения высоко­качественного металла, в частности, используется плавка и заливка в ва­куумных печах «ВИАМ-100», «УВП-4».

Процесс плавки жаропрочных сплавов в вакууме с перегревом рас­плава с целью гомогенизации получил название высокотемпературной обработки расплава (ВТОР). Она позволяет формировать благоприятную исходную структуру отливок и, следовательно, их свойства. Гомогениза­цией называют формирование равновесного состояния расплава, харак­теризуемого малым размером кристаллитов (кластеров), сохраняющихся в расплавленном металле. Процесс ВТОР сопровождается рафинирова­нием сплава за счет возгонки легколетучих примесных элементов (Р, S, Pb, Sn и др.), диссоциации сложных оксидов с последующей их возгон­кой, углеродного раскисления термодинамически устойчивых оксидов (ТЮ2, А1203, Сг203 и др.). ВТОР способствует улучшению литейных ха­рактеристик (жидкотекучесть, смачиваемость, заполняемость тонких се­чений отливок, усадка и склонность к образованию горячих трещин). Все это в совокупности обеспечивает значительное повышение прочностных свойств материала.

В настоящее время в России и за рубежом при производстве рабочих лопаток ГТД широкое применение получил метод направленной кри­сталлизации, позволяющий повысить прочностные свойства изделий из жаропрочных сплавов путем устранения поперечных границ зерен. Ори­ентацию структура отливки приобретает в процессе прохождения обо­лочковой формы с жидким металлом через фронт кристаллизации, рас­положенный в зоне искусственно создаваемого градиента температур.

Различают низко- и высокоградиентную (высокоскоростную) направ­ленные кристаллизации.

Низкоградиентная кристаллизация характеризуется значениями гра­диента температур на фронте кристаллизации G ≤30 °С/мм и скоростью кристаллизации мм/мин. К недостаткам относится низкая скорость охлаждения и крупная дендритная структура отливок.

В основе высокоградиентной кристаллизации лежит охлаждение формы легкоплавкими металлами, что позволяет получать градиенты тем­ператур на границе расплава G = 40 ... 60 °С/мм (установки УВНК-8П) и G = 130 ... 200 °С/мм (установки УВНЭС-4) (рис. 2.29, а). Скорость кри­сталлизации составляет Кк = 20 ... 200 мм/мин. Повышение температур­ного градиента на фронте кристаллизации способствует получению более плотной и однородной по сечениям пера, тонкодендритной структуры (рис. 2.29, б). Исключается образование поверхностных дефектов ликва- ционного происхождения - струйной полосчатости и карбидов типа МебС. Перо лопатки формируется из 1 ... 3 зерен без поперечных границ, по которым чаще всего происходит разрушение лопаток при эксплуата­ции. В отличие от сплавов с направленной структурой монокристальные сплавы имеют значительные преимущества по характеристикам вынос­ливости. Это связано главным образом с отсутствием карбидной фазы, которая является очагом микротрещин при циклических и термоцикличе­ских нагрузках.

Длительная прочность сплавов типа ЖС с монокристаллической структурой и ориентацией (111) на 15 ... 20 % больше, чем у сплавов с направленной структурой и ориентацией (001), или соответственно в 3 раза больше долговечность (см. табл. 2.8).

Рис. 2.29. Принципиальная схема высокоградиентной печи УВНЭС-4 (а) и влияние температурного градиента на размеры формирующихся дендритов (б): 1 - печь подогрева формы; 2 - верхний нагреватель; 3 - нижний нагреватель; 4 - тепловые экраны; 5 - лампы с жидкометаллическим охладителем; 6 - монокристаллическая затравка (Ni-W); 7 - керамическая форма

Таблица 2.8

Температурный режим, °С	Длительная прочность (за 100 ч), МПа
	при 900 °С	при 1000 °С	при 1100 °С
[001]	446	245	123
[111]	513	275	145

Закристаллизованные блоки охлаждают на воздухе на менее 4 ч. Обо­лочки от отливок разбивают вручную. Отливки отрезают от литниковой системы абразивным кругом толщиной 3 ... 5 мм, обдувают электроко­рундом, полируют, затем осуществляют контроль макроструктуры.

Керамические стержни удаляют из отливок, растворяя их в расплаве бифторида калия при температуре 350 ... 370 °С в течение 1,5 ... 4,5 ч с последующей промывкой в воде. Бифторид калия токсичен, и работа с ним требует соблюдения правил охраны труда.

Контроль отливок лопаток. Литые заготовки лопаток тщательно кон­тролируют по геометрическим параметрам, проверяют профиль пера, рас­положение базовых поверхностей, толщину стенок пустотелых лопаток.

Сплошность материала отливки, расположение каналов, перегородок, Ребер, штырьков и других внутренних конструктивных элементов, а так­же отсутствие остатков стержневой массы проверяют рентгеновским методом, заполняя внутреннюю полость отливки контрастирующим грану­лированным порошком из сплава ЖС6. Окончательный контроль пера лопатки производится после предварительного полирования абразивной лентой методом ЛЮМ-10В.

Прецизионным литьем в оболочковые формы получают заготовки ло­паток без припуска на механическую обработку пера с припуском по замку 0,8 ... 1,2 мм на сторону.

Отработанный в производстве технологический процесс (ВНК) и применяемое оборудование для изготовления заготовок лопаток турбины приведены в табл. 2.9.

Таблица 2.9

№ п/п	Наименование операции	Оборудование
1	Прессование керамических стержней	Установка PVE-10
2	Обжиг керамических стержней при температуре 1320 °С	Печь ПГ-30
3	Изготовление моделей, литниковой системы	Стол
4	Сборка модельных блоков	Стол
5	Изготовление керамических форм: покраска 6 ... 8 слоев; удаление модельной массы при Р = 3 атм и t = 250 ... 300 °С; прокалка форм при температуре 1080 °С	Пароавтоклав Печь ПГ-30
6	Отливка заготовок лопаток при следующих условиях: плавка сплава ЖС26ВИ при температуре 1570 ± 10 °С; заливка сплава при температуре 1530 ± 10 "С; скорость перемещения форм в кристаллизатор 20 ± 2 мм/мин; температура жидкого алюминия в кристаллизаторе в момент введения керамических форм 660 ... 740 °С; остаточное давление 8 • 10-2 мм рт. ст.	Установка УВНК-8П
7	Очистка отлитых лопаток от керамики	Пескоструйная установка
8	Отрезка лопаток от литниковой системы	Абразивно-отрезной станок
9	Обдувка лопаток	Пескоструйная установка
10	Дефектоскопическое травление в растворе НС1 + Н2О Контроль макроструктуры	Ванна Контрольный стол
11	Удаление керамических стержней из внутренней полости лопаток: полное растворение стержней из лопаток в расплаве бифторида калия при температуре 350 ... 370 °С, время выдержки 2,5 ... 3 ч; удаление фторидных пленок с поверхностей внутренней полости лопаток в подкисленном растворе четырехокиси циркония уротропина при комнатной температуре. Промывка внутренней полости лопаток горячей водой по режиму: температура воды 70 ... 80 "С, давление воды р > 0,6 МПа	Специальная установка
12	Контроль геометрии литых лопаток, выявление металлургических дефектов методами рентгеноскопии, ионометрическое определение остаточных ионов калия, ЛЮМ-1, ЦМ-15, контроль тангенциальных каналов	Прибор типа ПОМКЛ, рентгеновская установка

Заготовки рабочих лопаток турбин из деформируемых сплавов полу­чают горячей штамповкой, прессованием (выдавливанием), прокаткой и вальцеванием, стремясь обеспечить у заготовки продольную ориентацию структуры металла. В авиадвигателестроении лопатки турбины из штам­пованных заготовок в настоящее время практически не применяются.

Технологические процессы обработки литых лопаток турбины. Литье по выплавляемым моделям позволяет в промышленном масштабе полу­чать экономически целесообразные заготовки всех видов рабочих и со­пловых лопаток турбин ГТД, включая охлаждаемые, с точностью и ше­роховатостью поверхностей газового тракта и внутренней полости, ис­ключающими необходимость их последующей механической обработки (кроме финишной).

Механической обработке подлежат поверхности элементов хвостови­ков, бандажных полок, выходных кромок охлаждаемых лопаток. Кроме того, с помощью электрофизических и электрохимических методов об­работки производят перфорацию отверстий системы охлаждения и от­дельных каналов.

Технологический процесс получения лопаток турбин из литых загото­вок начинается с обработки базовых технологических поверхностей на хвостовике и бандажной полке, выполняемой на электрохимических плоскошлифовальных станках различных моделей или на обычных плос­кошлифовальных станках.

Шлифование базовых поверхностей обычно ведется за два перехода - предварительно в электрохимическом режиме и окончательно в обычном режиме (абразивное шлифование без тока).

Базовыми поверхностями при установке лопаток в станочные приспо­собления на этих операциях являются трактовые поверхности, оконча­тельно оформленные при литье.

Для отрезки литников от лопаток турбины используется станок ЭХОТ-2, позволяющий повысить производительность по сравнению с фрезерованием и сократить расход дорогостоящего инструмента. Обра­ботка ведется металлическим дисковым электродом толщиной 1,2 мм со скоростью перемещения стола до 20 мм/мин с использованием электро­лита- 10 ... 12 %-го NaCl. Параметры реза: длина 100 ... 200 мм, глубина до 10 мм.

Обработка клина хвостовика рабочей лопатки турбины выполняется методом электрохимического шлифования на двухшпиндельном станке ЭШЛ-301 или на односторонних электрохимических плоскошлифоваль­ных станках типа 3970ВФ2.

На рис. 2.30, 2.31 представлены эскизы лопатки и заготовки с основ­ными техническими требованиями на их изготовление, базами для меха­нической обработки и контроля, а в табл. 2.10 - основные операции и оборудование, используемое для их выполнения.

Рис. 2.30. Лопатки турбины

Рис. 2.31. Заготовка лопатки турбины

Первичными технологическими базами поверхностей являются уста­новочные базы - поверхности крайних сечений корыта (три опорные точки); направляющая база - входная кромка пера (две опорные точки) и опорная база - точка на поверхности полки. Зажим лопатки в приспособ­ление производится по спинке.

Таблица 2.10

№ п/п	Наименование операций	Наименование рекомендуемого оборудования
1	Отливка без припуска на механическую обработку по трактовым поверхностям	Технологический комплекс металлургического оборудования
2	Электроэрозионная обработка отверстий на входной кромке (1-й 2-й ряды)	Электроэрозионный 4Г721,4Е723 или специализированный электроэрозионный станок K1CN фирмы Sodic
3	Электроэрозионная обработка отверстий на входной кромке (3-й ряд)	Электроэрозионный 4Г721,4Е723 или специализированный электроэрозионный станок K1CN фирмы Sodic
4	Экструзионное хонингование внутренней полости лопатки	Установка для экструзионного хонингования
5	Гидроабразивная обработка трактовых поверхностей, отверстий на входной кромке, щели на выходной кромке	Гидроабразивная установка типа ЭЗ-86
6	Электроэрозионная обработка контура бандажной полки	Электроэрозионный 4Е723
7	Шлифование базовых поверхностей на полке хвостовика и бандажной полке со стороны спинки	Электрохимический плоскошлифовальный станок ЗЭ70ВФ2
8	Шлифование базовых поверхностей на полке хвостовика и бандажной полке со стороны входной кромки	Электрохимический плоскошлифовальный станок ЗЭ70ВФ2

Продолжение таблицы 2.10

№ п/п	Наименование операций	Наименование рекомендуемого оборудования
9	Шлифование базовых поверхностей на полке хвостовика и бандажной полке со стороны коры га	Электрохимический плоскошлифовальный станок ЗЭ70ВФ2
10	Шлифование базовых поверхностей на полке хвостовика и бандажной полке со стороны выходной кромки	Электрохимический плоскошлифовальный станок ЗЭ70ВФ2
11	Шлифование клина хвостовика	Электрохимический плоскошлифоваль­ный станок ЗЭ70ВФ2 или ЭШЛ-301
12	Шлифование «елочного» профиля хвостовика	Специальный шлифовальный типа SS-13 «Эльб-Шлиф»
13	Шлифование основания хвостовика	Плоскопрофильный шлифовальный типа ЛШ-220
14	Шлифование переднего торца хвостовика и радиуса на торце	Плоскопрофильный шлифовальный типа ЛШ-220
15	Шлифование заднего торца хвостовика и радиуса на торце	Плоскопрофильный шлифовальный типа ЛШ-220
16	Шлифование профиля типа «зиг» бандажной полки со стороны спинки	Плоскопрофильный шлифовальный типа ЛШ-220
17	Шлифование профиля типа «зиг» бандажной полки со стороны корыта	Плоскопрофильный шлифовальный типа ЛШ-220
18	Шлифование полок хвостовика со стороны корыта и спинки под угол	Плоскошлифовальный типа ЗГ71М или ЗУ711В
19	Сборка комплекта лопаток в технологический диск	Слесарный верстак
20	Шлифование профиля лабиринта бандажной полки	Специальный шлифовальный с ЧПУ или токарно-лобовой модернизированный
21	Доработка и полирование радиусов по профилю торцов хвостовика и контуру бандажной полки	Полировальная бабка
22	Стабилизирующий отжиг	Вакуумная печь СЭВ5,5/11,5
23	Контроль внутренней полости по расходу воздуха (воды) через лопатку	Специальные установки
24	Контроль геометрии пера и хвостовика, полок, шероховатости поверхностей Контроль методом ЛЮМ	Контрольный стол. Специальные приборы Специальная установка
25	Изоляция отверстий входной кромки, щели на выходной кромке	Стол. Специальная паста АК-107
26	Нанесение защитных покрытий: ионноплазменное напыление; циркуляционное апитирование; в перспективе нанесение термобарьер­ного покрытия	Установка МАП-1 Циркуляционная установка ДА-1 Установка EV-PVD
27	Диффузионный отжиг лопаток	Вакуумная печь СЭВ 5,5/11,5
28	Контроль качества нанесения покрытия	Микроскоп

Основные технологи­ческие базы для обработ­ки пера, хвостовика и бандажной полки: устано­вочная база - поверхности хвостовика и бандажной полки (три опорные точ­ки), направляющая база - боковые поверхности хво­стовика и бандажной пол­ки (две опорные точки) и опорная база - поверх­ность бандажной полки со стороны спинки (одна опорная точка).

Независимо от конст­рукций лопаток турбины технологические процес­сы их размерной обработ­ки можно представить следующими схемами:

рабочие лопатки турбины из штампованных заготовок: обработка баз, электрохимическая обработка и полирование пера, обработка хвостовика и бандажной полки;

рабочие лопатки из литых заготовок: получение перфорационных от­верстий на пере, обработка хвостовика, бандажной полки.

Базовые поверхности на хвостовике и технологической бобышке фре­зеруют, шлифуют, реже - протягивают.

После обработки баз фрезеруют (шлифуют) входные и выходные кромки и предварительно обрабатывают клин хвостовика. Елочный за­мок хвостовика обрабатывают в два этапа: сначала клин, а затем елочный профиль замка. Елочный профиль обрабатывают фрезерованием, шлифо­ванием, протягиванием (редко) или сочетанием этих методов.

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ

Профиль хвостовика обрабатывается от промежуточных технологиче­ских базовых поверхностей, расположенных на боковых поверхностях полки хвостовика и бандажной полки со стороны спинки пера и торце­вых поверхностей полки хвостовика и бандажной полки со стороны входной кромки. Осевая фиксация лопатки выполняется упором в точку на трактовой поверхности бандажной полки со стороны спинки пера.

Для елочного профиля хвостовика используются заготовки лопаток с обработанным клином.

Елочный профиль хвостовика можно получать фрезерованием за одну или две операции в зависимости от глубины профиля.

Вследствие низкой обрабатываемости материалов лопаток турбин лезвийными методами наметилась тенденция применения процессов шлифования, особенно глубинного высокоскоростного (инструментом из кубического нитрида бора на металлической связке) и электрохимиче­ского. Процессы глубинного шлифования используются при обработке поверхностей замков лопаток, а процессы высокоскоростного и электрохимического шлифования - для элементов, имеющих сравнительно небольшие припуски. Современные технологии шлифования позволяют уменьшить число операций механи­ческой обработки совмещением предварительной, черновой и чистовой обработок и обеспечить высокую точность и качество поверхностного слоя сложнопрофильных элементов лопаток. Типовые технологические схе­мы обработки поверхностей хвостовика лопаток: елочного профиля, основа­ния хвостовика, переднего и заднего торцов - приведены в разделе 4.2. В перспективе до 70 % операций механической обработки лопаток тур­бин из литых заготовок будет выполняться с применением глубинного шлифования.

В настоящее время обработка елочного профиля хвостовика рабочих лопаток турбин осуществляется на специальных двухшпиндельных стан­ках с ЧПУ, например SS-13 фирмы «Эльб-Шлиф» (Германия), методом глубинного шлифования.

При глубинном шлифовании на станке SS-13 высоких требований, предъявляемых к качеству обработки елочного профиля, удается добить­ся благодаря специально разработанной схеме одновременного двухсто­роннего формообразования за одну операцию в два прохода чернового и одного прохода чистового. Перед чистовым проходом производится обя­зательная правка кругов алмазным роликом.

При обработке на одношпиндельном шлифовальном станке скосов наружных поверхностей, полок хвостовика со стороны входной и выход­ной кромок, канавок на основании и выходном торце хвостовика в каче­стве инструмента применяются моно- и многослойные прецизионные круги из кубического нитрида бора (КНБ). Охлаждение зоны обработки производится маловязкими маслами.

Для увеличения жесткости заготовки и повышения точности обработ­ки целесообразно использовать заливку лопаток в брикеты.

Базирование заготовок лопаток в камере для заливки осуществляют по трем точкам в крайних сечениях пера, входной кромке и в точке на трактовой поверхности полки хвостовика.

Отделка трактовых поверхностей лопаток турбин из литых заготовок может выполняться на струйных гидроабразивных установках экструзионной абразивной или объемной абразивной обработкой.

Применение этих способов обеспечивает снижение шероховатости и поверхностное упрочнение. Матовая поверхность деталей, обработанных этими способами, позволяет выявить различные дефекты материала. Ни­же приведены характеристики установки для струйно-абразивной обра­ботки ЭЗ-86, используемой на некоторых предприятиях.

Техническая характеристика установки ЭЗ-86:

наибольшие размеры обрабатываемых деталей 360 х 150 мм;

количество позиций барабана 8;

давление воздуха 0,2 ... 0,6 МПа;

средний расход сжатого воздухам 4 м3/мин;

средний расход абразива 0,5 кг/ч;

габариты установки 1710 х 1500 х 2100 мм;

масса установки 1300 кг.

Обработка производится на следующих технологических режимах:

угол атаки 45 ... 60 град;

расстояние от торца сопла до обрабатываемой поверхности 50 ... 80 мм;

давление сжатого воздуха 0,3 .. 0,5 МПа;

частота вращения детали 1 ... 8 об/мин; количество двойных ходов 28 в мин;

время обработки одной детали (общее) 3 ... 5 мин;

абразивное зерно 24А10/24А20;

концентрация абразива в суспензии воды 25 ... 30 %.

Эта установка используется также для формообразования радиусной поверхности по периметру щели выходной кромки, обработки трактовых поверхностей лопаток турбины, снятия нагара с трактовых поверхностей лопаток турбины после сдаточных испытаний взамен травления и ручной зачистки, снятия алитированного слоя при ремонте лопаток турбины, подготовки трактовых поверхностей лопаток турбины под нанесение жа­ростойкого покрытия.

Технологии обработки сопловых и рабочих лопаток аппаратов турбин существенно различаются.

Например, обработка наружных, внутренних и торцевых поверхно­стей полок выполняется комплектно на токарно-лобовых станках точени­ем или шлифованием с применением шлифовальных головок, которыми оснащаются токарные станки. Схема обработки сопловых лопаток на двухстоечном карусельно-шлифовальном станке в режиме глубинного шлифования представлена на рис. 2.32. По этой схеме за две операции возможна обработка наружных, внутренних и торцевых поверхностей полок со стороны входной и выходной кромок как комплекта, так и от­дельных лопаток, в том числе залитых в брикет легкоплавкого сплава.

Защитные покрытия для лопаток турбины. Для защиты от окисления и газовой коррозии на перо и внутреннюю полость лопаток турбин нано­сятся жаростойкие покрытия.

К ним предъявляются следующие основные требования:

высокая жаростойкость в условиях воздействия газовой среды. Мате­риал, используемый в качестве покрытия, должен обеспечивать образо­вание тонкой защитной оксидной пленки с хорошей адгезией и мини­мальной диффузионной проницаемостью;

Рис. 2.32. Схема обработки сопловых лопаток на двухстоечном карусельно- шлифовальном станке в режиме глубинного шлифования:

1 - сопловая лопатка; 2 - шлифовальный круг; 3 - приспособление; 4 - стол (карусель)

высокая фазовая и структурная стабильность защитного покрытия. Покрытие должно обладать низкой скоростью диффузионного взаимо­действия с защищенным материалом, быть достаточно инертным и ста­бильным по толщине в течение всего срока его эксплуатации;

достаточные прочность, вязкость и пластичность покрытия, предот­вращающие преждевременное его разрушение под действием цикличе­ских термомеханических нагрузок;

однородность химического состава и структуры, равномерность по толщине, отсутствие технологических дефектов. Покрытия не должны образовывать хрупких соединений с базовым материалом в процессе экс­плуатации. Физико-механические характеристики покрытий не должны оказывать неблагоприятного влияния на механические свойства сплавов.

Наиболее удовлетворительным комплексом свойств обладают покры­тия алюминидного класса, т.е. покрытия, образующие на поверхности в процессе эксплуатации защитную оксидную пленку, состоящую из окси­да А1203.

Покрытия получают диффузионными способами и напылением. Диффузионные покрытия формируются в процессе диффузии в по­верхностный слой легирующих элементов из насыщающей среды. В пе­реходной зоне между покрытием и основой чаще всего наблюдается по­степенное снижение концентрации диффундирующих элементов. При диффузионном насыщении изменение размеров детали незначительно.

Напыленные покрытия, как правило, имеют резкую границу с под­ложкой с минимальной диффузионной зоной. Их основным преимущест­вом являются широкие возможности по управлению составом покрытия.

Нанесение жаростойких покрытий может быть проведено различными способами, такими, как порошковый, шликерный, плазменный, электрон­но-лучевой, катодное распыление, лазерное осаждение покрытий и др.

Диффузионное насыщение поверхности алюминием и образование на поверхности плотного алитированного слоя с высокой концентрацией алюминия (30 ... 50 %) предохраняют поверхность деталей (лопаток) из жаропрочных сплавов на никелевой основе от интеркристаллитного окисления и обеднения твердого раствора алюминием и молибденом.

Наиболее распространенным способом алитирования является насы­щение поверхности порошкообразной смесью с хлоридами. Порошковый метод нанесения позволяет получить покрытия, когерентно связанные с основным материалом за счет диффузионного проникновения легирую­щих элементов в поверхностные слои материала лопаток. Это придает покрытию физико-механические свойства, близкие к свойствам основно­го материала, что в условиях термоциклических нагрузок предотвращает образование трещин в слое (за счет близких коэффициентов линейного расширения).

К недостаткам порошкового метода следует отнести сложность и тру­доемкость изготовления порошковых смесей, необходимость нагрева лопаток вместе с порошками до высоких температур, сложность защиты поверхностей, не требующих нанесения покрытий, вредность при работе с мелкодисперсионными порошковыми смесями.

Алитирование шликерным методом включает в себя приготовление суспензии из порошка алюминия и связующего, нанесение ее на поверх­ность пера и диффузионный отжиг. В качестве связующего используется нитроклетчатка, которая растворяется в смеси анилового эфира уксусной кислоты с диэтиловым эфиром щавелевой кислоты, взятых в соотноше­нии 3:1. На поверхность пера лопаток суспензию наносят пульверизато­ром, а места, не подлежащие алитированию, предохраняют специальны­ми экранирующими приспособлениями. Диффузионный отжиг осущест­вляется в вакуумных печах. Глубина алитированного слоя, составляющая 20 ... 50 мкм, контролируется после диффузионного отжига металлогра­фическим методом на образцах, алитируемых одновременно с лопатками, или на самих лопатках. Установлено, что прочность и пластичность ни­келевых сплавов не снижаются после алитирования шликерным методом. Алитирование повышает сопротивление термической усталости на 30 %.

Для нанесения покрытий широко используются также вакуумно- плазменные установки МАП-1 и МАП-2.

Для снижения шероховатости поверхности и пористости покрытия ис­пользуется финишная обработка микрошариками, или виброполирование, которое обеспечивает шероховатость поверхности Ra = 0,32 ... 0,64 мкм.

В то же время такая обработка приводит к измельчению зернистой структуры, возрастанию числа кристаллографических дефектов, что не может не сказываться на увеличении скорости диффузии элементов в покрытии и снижении стабильности его структуры.

Циркуляционный метод получения диффузионных покрытий из газо­вой фазы имеет ряд преимуществ по сравнению с упомяну­тыми выше методами. Его отличают простота исполнения, возможность нанесения многокомпонентных покрытий на наружную и внутреннюю поверхности лопатки одновременно, экологическая чистота процесса.

По сравнению с технологией получения покрытий в порошковых сме­сях циркуляционный метод обеспечивает:

повышение качества покрытия за счет более высокой чистоты по примесям, высокой сплошности, равномерности;

сокращение расхода исходных материалов в 50 ... 100 раз (безотход­ная технология);

сокращение технологического цикла в 1,5 ... 2,5 раза;

снижение трудоемкости процесса в 3,5 раза, в том числе за счет резко­го сокращения доли ручного труда;

экономию электроэнергии в 9,5 раз (энергосберегающая технология);

возможность получения покрытий на изделиях с профилем любой степени сложности и любых размеров, в частности на внутренних по­верхностях охлаждаемых лопаток турбин, в том числе на внутренних поверхностях тонких каналов, щелей, отверстий (0 0,5 ... 1 мм) большой протяженности.

Средняя разница по толщине слоя на наружной и внутренней поверх­ностях лопатки не превышает 15 %.

Упрочнение и восстановление контактных поверхностей бандажных полок. Вследствие высоких вибрационных, контактных и термических нагрузок в местах сопряжения бандажных полок происходит интенсив­ный износ.

Повышение износостойкости контактных поверхностей бандажных полок лопаток ГТД и восстановление изношенных лопаток является весьма актуальной и одновременно сложной задачей, обусловленной ме­таллургическими особенностями никелевых сплавов типа ЖС6У и ЖС6К, которые относятся к классу несвариваемых плавлением.

На ММПП «Салют» используется метод высокотемпературной пайки в вакууме. Пайка производится методом дугового разряда с полым катодом (ДРПК) (рис. 2.33). Неплавящимся катодом в ДРПК служит полый ци­линдр, выполненный из тугоплавкого металла (тантала или вольфрама), с внутренним отверстием диаметром от 2 до 6 мм, через которое подается плазмообразующий газ (аргон) с расходом 0,1 ... 0,3 мг/с.

Рис. 2.33. Газоразрядное электродуговое устройство с расходным магнитоуправляемым полым катодом

Благодаря этому внутри полости катода всегда имеются условия, обеспечивающие необходимую кон­центрацию плазмы при любых сколь угодно малых внешних давлениях в вакуумной камере (рис. 2.34). Кон­такт плазмы дугового разряда с полым катодом осуществляется по внутренней поверхности цилиндра.

Рис 2.34. Схема пайки методом ДРПК:

1 - система охлаждения, 2 - регулирование подачи плазмообразующего газа; 3 - полый катод; 4 - паяемое изделие

При этом полые термоэмиссионные катоды обеспечивают стабильное, в том числе и на малых токах, существование разряда.

Для напайки пластин на контактные поверхности применяется припой ВПр27 на никелевой основе, который имеет сравнительно низкую темпе­ратуру пайки (1170 ... 1180 °С) и может быть получен в виде аморфной фольги толщиной 30 ... 60 мкм.

В качестве материала напаиваемых пластин используют сплавы ВКНА-2, ВЖЛ-15, ВЖЛ-2, обладающие необходимой жаростойкостью и твердостью при высоких температурах.

Напаиваемые пластины прижимаются к поверхности давлением по­рядка 2 ... 3 МПа. Специализированное приспособление позволяет за­гружать в вакуумную камеру 40 ... 50 лопаток.

После загрузки приспособления с лопатками в камеру и получения в результате откачки рабочего давления порядка (6 ... 8) x 10^-2 Па при пода­че через полый катод аргона осуществляется процесс пайки. Для напайки пластин размером 5 х 3 х 1,5 мм к контактным поверхностям рабочей ло­патки первой ступени ТВД оптимальным был следующий режим ДРПК: ток разряда от 12 до 15 А, напряжение от 32 до 34 В, длина дугового промежутка разряда от 20 до 23 мм, диаметр полости танталового катода 3,0 ... 3,2 мм.

После пайки лопатки подвергаются термообработке при 950 °С в те­чение трех часов, последующей механической обработке и контролю люминесцентно-цветовым методом зоны пайки.

Толщина паяного шва припоя ВПр27, как правило, не превышает 5 ... 7 мкм.

2.5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК

По контрольному образцу (эталону) в действующем производстве, кроме геометрических размеров, контролируется:

заправка (скругление) радиусов кромок пера лопаток;

радиус сопряжений пера с хвостовиками и полками;

шероховатость и волнистость поверхностей.

Кроме того, должны контролироваться размеры, формы и расположе­ние пера (рис. 2.35) и хвостовика (рис. 2.36).

Рис. 2.35. Минимальный и теоретический профили лопаток компрессора

Рис. 6.36. Профиль поперечного сечения хвостовика лопатки турбины

Помимо размеров хвостовиков лопаток, необходимо контролировать:

размеры хвостовиков лопаток турбины и компрессора по длине;

углы установа хвостовиков лопаток турбины и компрессора;

непараллельность боковых сторон хвостовиков лопаток компрессора типа «ласточкин хвост» на расчетной высоте по длине хвостовика;

перекос рабочих поверхностей зубьев одной гребенки относительно другой на длине хвостовика типа «елка» рабочих лопаток турбин;

взаимное смещение рабочих поверхностей зубьев одной гребенки хвостовика относительно другой в направлении плоскости симметрии хвостовика типа «елка» рабочих лопаток турбин;

конусность зубьев по роли­кам по длине хвостовика типа «елка» рабочих лопаток турбин.

Основным прибором, ис­пользуемым на предприятиях для контроля профиля пера ши­рокой номенклатуры лопаток, является оптико-механический прибор ПОМОМ.

Прибор предназначен для контроля размеров, формы профильных сечений пера го­товых лопаток и заготовок с припусками по профилю не более 1,5 мм на сторону. Одно­временно проверяется угол закрутки и величина смещения сечения профиля относительно технологических баз.

На практике часто исполь­зуется контроль специальными шаблонами и индикаторными приборами (рис. 2.37).

Рис. 2.37. Схема проверки профиля пера лопатки с помощью шаблонов

Более совершенными в от­ношении точности и произво­дительности являются приборы мод. ОММ, которые охваты­вают практически всю номенк­латуру лопаток компрессора и обеспечивают автоматический, полуавтоматический и ручной режимы работы.

Измерительные устройства мод. ОММ позволяют:

сократить трудоемкость контроля профиля пера лопаток;

повысить объективность контроля;

обойтись без сменных контактных блоков в заводских условиях, что значительно сокращает сроки подготовки производства и облегчает усло­вия эксплуатации по сравнению с приборами ПОМКЛ-4;

механизировать контроль профиля пера лопаток.

Перспективным направлением развития измерительной техники, осу­ществляемым при контроле трактовых поверхностей лопаток, а также хвостовиков и технологической оснастки (штампы, пресс-формы, элек­троды, катоды и др.) с большим количеством параметров, является бес­контактный метод, преимущество которого заключается в высокой точ­ности измерения, сравнительно высокой производительности, возможно­сти измерения разнообразных по форме и размерам лопаток.

Лазерные компьютерные системы «ОПТЭЛ» разработаны и тиражи­руются Научно-внедренческим предприятием «ОПТЭЛ» Уфимского го­сударственного авиационного технического университета (УГАТУ).

В этих системах для проведения измерений используется ограждение сфокусированного лазерного луча от контролируемой поверхности. По­ложение отраженного луча фиксируется аналоговыми чувствительными детекторами.

Поворот измеряемой поверхности относительно оси измерения за­ставляет сфокусированное пятно двигаться по чувствительной части де­тектора. Детектор производит небольшие фототоки, которые после соот­ветствующей обработки дают непосредственную информацию о позици­онном смещении поверхности относительно оси измерения. Системы «ОПТЭЛ-Л» характеризуются:

возможностью проводить автоматические компьютерные измерения трехмерных объектов;

автоматизацией трудоемких измерений, исключением субъективности и обеспечением 100 %-го контроля с регистрацией результатов в базе данных;

высокой производительностью: время измерения 1-го сечения 2 ... 4 с, всего пера лопатки более 20 с (до 100 лопаток/ч);

высокой разрешающей способностью - менее 0,05 мм;

высокой точностью - погрешность 0,05 ... 0,1 мм;

высокой гибкостью: измерения проводятся в соответствии с матема­тической моделью изделия, время перехода на другой типоразмер менее 1 мин;

совместимостью с системами автоматизированного проектирования и производства.

Более 25 % всего технического контроля в производстве лопаток ГТД занимает неразрушающий контроль. Методы и средства неразрушающего контроля обеспечивают:

возможность 100 %-го контроля материалов и изделий в процессе производства, испытаний и эксплуатации;

возможность прогнозирования отказов при контроле лопаток в усло­виях эксплуатации.

Для выявления трещин, раковин, пор, включений, а также для контро­ля толщины стенок покрытий на лопатках применяются капиллярные, радиационные, ультразвуковые, токовихревые и другие методы.

Рентгеновский толщиномер РТ-1 используется для измерения толщи­ны покрытия и контроля многокомпонентных покрытий путем определе­ния концентрации отдельных компонентов по глубине (рис. 2.38).

Рис. 6.38. Распределение легирующих элементов - алюминия (а), хрома (б), никеля (в) - в диффузионном слое монокристаллических лопаток из жаропрочного сплава ЖС32М:

I - после алитирования (Ni-Cr-Al-Y) порошковым методом; 2 - после алитирования методом ВПТВЭ на установке МАП-1

Контроль частоты собственных колебаний рабочих лопаток компрес­сора и турбины выполняется после окончательной механической обра­ботки возбуждением лопаток, зажатых за хвостовик в приспособлении на специальных стендах.

При дефектоскопическом травлении выявляются прижоги, трещины, волосовины, другие несплошности, инородные включения.

Лопатки, выполненные из немагнитных материалов, исключают ис­пользование магнитных методов контроля. Поэтому для контроля таких изделий применяются капиллярные методы, основанные на проникнове­нии индикаторных жидкостей в полости поверхностных несплошностей материала и регистрации образующихся индикаторных следов визуаль­ным способом или с помощью преобразователя.

Выявление поверхностных дефектов на лопатках методом люминес­центного контроля базируется на физическом явлении флюоресценции, сущность которого заключается в том, что некоторые вещества под дей­ствием света начинают светиться сами.

Основными этапами проведения капиллярного контроля методом ЛЮМ1 -ОВ являются следующие.

1. Подготовка лопаток к контролю, которая состоит в обезжиривании и промывке. Эти операции аналогичны соответствующим операциям при подготовке лопаток под дефектоскопическое травление.

2. Обработка лопаток дефектоскопическим материалом - заполнение полостей дефектов индикаторным пенетрантом, удаление избытка инди­каторного пенетранта, нанесение проявителя.

3. Контролируемую лопатку погружают в ванну с флюоресцирующей жидкостью, обладающей способностью светиться под действием ультра­фиолетового света. При наличии в лопатке трещин, пор и других дефек­тов жидкость проникает в них.

4. После просушки лопатки для усиления свечения в местах дефектов покрывают тонко измельченным проявляющим порошком, изготовлен­ным из окиси магния, впитывающим в себя жидкость из трещины. Поро­шок удаляют с лопаток легким встряхиванием. В местах дефектов поро­шок остается.

5. Обработанную таким образом лопатку облучают в темном помеще­нии ультрафиолетовым светом ртутно-кварцевой лампы, видимая об­ласть спектра которой отфильтровывается (поглощается стеклом с оки­сью никеля).

Контроль производят на специ­альном приборе - люминескопе, схе­ма которого приведена на рис. 2.39.

Рис. 2.39. Схема контроля лопатки на люминескопе

Ультрафиолетовый свет вызывает явление флюоресценции в местах дефектов, т.е. там, где прилип прояв­ляющий порошок, впитывающий в себя жидкость. Свечение в месте де­фекта имеет цвет, характерный для применяемой флюоресцирующей жидкости, и четко обрисовывает на­ружный вид самого дефекта.

Контроль поверхностных дефектов в пазах елочного профиля хвосто­вика рабочих лопаток турбин может быть выполнен методом вихревых токов.

Вихретоковый метод основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наво­димых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля.

Прибор позволяет выявлять дефекты нарушения сплошности по всему пазу. Минимальная величина надежно обнаруживаемой трещины по дли­не (вдоль паза) составляет 0,8 мм, по глубине 0,1 мм, по ширине менее 1 мкм.

Широкое распространение получили многомерные электронные при­боры для комплексного контроля геометрических параметров лопаток, а именно: первичные преобразователи, в основном индуктивные; устрой­ства, обеспечивающие подвод первичных преобразователей к контроли­руемой детали; устройства обработки и отсчета полученной информации.

Для контроля деталей сложной формы с большим количеством кон­тролируемых параметров применяются координатно-измерительные ма­шины с ЧПУ и автоматической обработкой результатов измерения, кото­рые комплектуются круглыми столами в качестве четвертой оси, что дает возможность контролировать профиль пера лопаток по нормали. Круглые столы управляются механизмом и включены в программу измерений. Измерения выполняются контактным и бесконтактным способами.

Ряд иностранных фирм выпускает контрольные головки. Наиболее надежными считаются головки фирмы «Ренишо» (США). Погрешность определения положения этими головками ± 0,001 мм. Например, такие измерения используются на фрезерных станках фирмы «Лихти» при об­работке межлопаточных каналов монолитных осевых рабочих колес и центробежных крыльчаток компрессора.

Ведущей фирмой, занимающейся разработкой приборов, основанных на принципе светового сечения, является фирма «Тейлор Гобсон» (Вели­кобритания). В этих приборах оптическая система воспринимает изобра­жение освещенной полоски на профиле пера и передает его в увеличен­ном виде на экран для сопоставления с шаблоном на прозрачном мате­риале. В качестве источника излучения применяется лазер, а в качестве приемника - телевизионное устройство. Приборы Элотест фирмы «Ро­ман» (США) и дефектоскопы фирмы «Ферстер» (США) предназначены для контроля деталей сложной конфигурации, в том числе лопаток. Эти приборы являются по своему уровню следующим этапом в развитии де­фектоскопической вихретоковой аппаратуры.

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДИСКОВ

Диски компрессора и турбины, соединенные между собой и с валом, образуют ротор двигателя. Конструктивная форма дисков зависит как от вида их соединения, так и от условий работы дисков и ротора в целом. В процессе эксплуатации диски испытывают большие центробежные на­грузки в условиях значительного и неравномерного нагрева. Например, ободы дисков турбин нагреваются до температур 550 ... 800 °С, а ступи­цы - до 300 ... 500 °С. Это вынуждает использовать для их изготовления высокопрочные и жаропрочные сплавы. Для того чтобы обеспечить вы­сокую жесткость ротора при его минимальной массе, используют слож­ные формы дисков, которые снижают их технологичность.

3.1. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МАТЕРИАЛЫ

Основными конструктивными элементами диска являются:

обод (венец) с пазами для крепления лопаток;

полотно (диафрагма);

фланцы, обеспечивающие связь с соседними дисками и валом;

ступица.

Диски различают по способу их" соединения в роторы (монолитные или сборные), а также по способу изготовления (кованые, штампованные, литые, сварные, паяные, спекаемые (из гранул)).

У дисков сборной конструкции КИМ значительно выше (достигает 0,4), но они имеют меньшую жесткость. Соединяются диски в роторы штифтами, призонными болтами, торцевыми шлицами и стяжной трубой, электронно-лучевой сваркой.

При штифтовом соединении диски собирают напрессовкой по поса­дочным (центрирующим) поясам с последующим креплением штифтами. Диски такой конструкции достаточно технологичны.

Диски, соединяемые призонными болтами, имеют системы точно рас­положенных отверстий с жесткими (± 0,05 мм) допусками. Эти отверстия обрабатывают по специальным кондукторам или на расточных станках, что увеличивает трудоемкость. Иногда обработка таких отверстий произ­водится в сборе с сопрягаемыми деталями.

Достаточно высокую технологичность имеют диски, соединяемые торцевыми шлицами и стяжными болтами.

В сварном роторе диски предварительно центрируются по технологи­ческим посадочным буртам и затем свариваются электронно-лучевой сваркой. Это один из наиболее перспективных способов соединения. Технологические бурты после сварки срезаются точением.

Монолитные роторы изготавливают из одной поковки точением. Они устанавливаются в основном на малоразмерных двигателях вертолетов. Конструкции таких роторов не технологичны.

В зависимости от способа соединения дисков с лопатками различают: монолитные диски (лопатки получают непосредственно на венце дис­ка). Такие диски используют в ТНА и турбостартерах;

составные неразъемные (сварные или паяные);

разъемные с креплением лопаток в пазах диска. Такие диски могут иметь один или несколько венцов.

Крепление лопаток осуществляется, как правило, с помощью сле­дующих видов пазов и элементов.

Пазы типа «ласточкин хвост» (рис. 3.1, а) используют для крепления лопаток в дисках компрессоров. Это технологичная конструкция паза. Пазы обычно обрабатываются протягиванием.

Рис. 3.1. Формы пазов в дисках для соединения с лопатками и торцевые шлицы для соединения дисков в ротор:

а - типа «ласточкин хвост»; б - елочного профиля; в - кольцевой паз типа «ласточкин хвост»; г - с шарнирным креплением; д- торцевые шлицы

Пазы елочного профиля (рис. 3.1, б) используются в основном для крепления лопаток на дисках турбины, иногда на дисках компрессора. Форма паза технологична. Пазы получают протягиванием.

Кольцевой паз типа «ласточкин хвост» представляет собой кольце­вую проточку в ободе диска (рис. 3.1, в). Трудности изготовления таких пазов обусловлены необходимостью обеспечения точных углов при то­чении, сложностью или невозможностью контроля профиля паза. Отсюда меньшая технологичность.

Шарнирное крепление лопаток используется в сравнительно мало нагру­женных роторах компрессоров (с малой частотой вращения) (рис. 3.1, д). Проточка пазов под проушины и обработка отверстий под штифты не вызывает больших затруднений, и этот вид крепления технологичен.

Технические условия на изготовление отдельных элементов дисков характеризуются величинами, приведенными в табл. 3.1.

Материалы дисков турбин должны обладать:

высокой прочностью и жаропрочностью в широком диапазоне темпе­ратур;

низкой чувствительностью к концентрации напряжений;

высокой вязкостью;

высоким сопротивлением усталостному разрушению, в том числе ма­лоцикловому;

высокой длительной прочностью и термической стабильностью;

хорошей обрабатываемостью.

Эти требования можно удовлетворить многокомпонентным легирова­нием, увеличением объемного содержания (до 60 %) жаропрочной у'-фазы, упрочнением твердого раствора, предотвращением возникнове­ния охрупчивающих фаз, очисткой сплавов от вредных примесей, опти­мальной структурой материала, которая обеспечивается условиями пла­стического деформирования и термической обработки.

Для изготовления дисков турбин используют жаропрочные никелевые сплавы ХН77ТЮР, ХН73МТБЮВД, ХН62БМКТЮИД, ЭП741 и др., а также порошковые сплавы ЭП741П, ЭП741ЭП, ЭП962П, ЭП975П, получаемые методом гранульной технологии (прессованием и спеканием гранул).

Диски осевых компрессоров работают при более низких температурах и меньших нагрузках. Температуры увеличиваются по мере движения по­тока от входа в глубь двигателя, его сжатия, а на последних ступенях дос­тигают 700 °С. Поэтому первые ступени иногда изготавливают из алюми­ниевых сплавов АК4-1, АК6-1, средние - из сталей 13Х12Н2В2МФА-Ш (рабочие температуры до 600 °С) и титановых сплавов ВТ18У, ВТЗЗ (ра­бочие температуры до 450 °С), а последние - из жаропрочных сплавов.

Таблица 3.1.

Элемент диска	Требования по точности	Требования по шероховатости
Посадочные поверхности	6 ... 7-й квалитеты	Ra = 1,25 ... 0,32 мкм
Лабиринтные канавки	8 ... 10-й	Ra = 2,5 ...1,25 мкм
Отверстия под штифты	8 ... 10-й	Ra = 1,25 ...0,63 мкм
Наружные и внутренние диаметры	8 ... 11-й	Ra = 2,5 ...1,25 мкм
Остальные поверхности	11 ... 12-й	Ra = 2,5 ..1,25 мкм
Биения наружных поверхностей относительно посадочных	0,02 ... 0,1 мм
Елочные пазы:		Ra = 1,25 ... 0,63 мкм
допуск на шаг зубцов	0,02 мм
допуск на ширину елочного паза	0,02 ... 0,05 мм
смещение опорных поверхностей елочного профиля одной стороны относительно другой	0,02 ... 0,05 мм
погрешность углов елочного профиля и трапеции паза	±(5 ... 15')
непараллельность опорных поверхностей замка относительно оси диска на длине замка	0,05 мм
погрешность шага пазов по окружности	0,15 ... 0,3 мм
Пазы типа «ласточкин хвост»:		Ra = 1,25... 0,63 мкм
посадочный размер (ширина паза А)	8 ... 9-й
погрешность угла замка	±5'
шаг пазов по окружности	0,15 ... 0,3 мм
Торцевые шлицы:		Ra = 0,63 ... 0,32 мкм
погрешность окружного шага зубцов	0,02 ... 0,05 мм
допуск на толщину зубца Н	8 ... 11-й
погрешность угла зубцов	±10'
Допуск на массу диска	5 % расчетной массы диска

3.2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКОВ

ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК

Заготовки дисков турбин и компрессоров получают штамповкой в за­крытых штампах на ковочных машинах и мощных прессах. Форму заго­товки стремятся максимально приблизить к форме готовых дисков. При­пуски на механическую обработку обычно составляют 5 ... 6 мм на сто­рону, КИМ - около 0,1. Заготовки подвергают ультразвуковому контро­лю для выявления внутренних дефектов.

Для получения заготовок дисков используются также технологии го­рячего изостатического прессования порошков и гранул в газостате, обеспечивающие повышение КИМ, жаропрочности, пластичности и уменьшение веса. Этот способ предусматривает несколько этапов:

получение гранул. При распылении расплавов на гранулы имеет ме­сто очень высокая (до 10⁶ °С/с) скорость кристаллизации, в результате чего происходит измельчение выделений - фазы и карбидов. Размеры гранул составляют 0,02 ... 0,4 мм. На их поверхностях не допускается наличие загрязнений и окисных пленок;

сортировка гранул по размерам и их очистка;

прессование дисков при температуре закалки сплавов в газостатах и давлении 200 МПа. Предварительно производится тщательная очистка среды от паров воды, кислорода и других газов;

термическая обработка после прессования.

Для дисков компрессора отрабатываются технологии получения заго­товок с регулируемой структурой методом изостатического прессования порошков с разными механическими свойствами. Применяются также изотермическая штамповка и раскатка заготовок дисков компрессора и турбины в условиях сверхпластичности. Типовые виды заготовок пред­ставлены на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Типовые виды заготовок дисков, получаемые изотермической раскаткой

Применение раскатки в условиях сверхпластичности существенно расширяет тех­нологические возможности процесса, в том числе за счет резкого снижения мощности оборудования, трудоемкости и расхода материалов.

На ММПП «Салют» раскатку осуществляют на автоматизированной линии АЛРД-800.

Раскатные ролики устанавливают в исходную позицию, т.е. подводят к раскатываемой заготовке до касания и отводят по двум основным коор­динатам с учетом возможного температурного расширения, удлинения роликов и перемещения шпинделей при опрессовке. После выравнивания температуры в печи осуществляется опрессовка заготовки пинолями, окончательный подвод роликов в исходную позицию, заготовке придает­ся холостое вращательное движение, и одной или двумя парами роликов осуществляется формообразование.

Типовой представитель раскатного диска показан на рис. 3.3. Характерные размеры элементов диска: припуск: 2,0... 2,5 мм (на сторону); = 450 ... 800 мм; ( )/2 > 15 мм; = 40 ... 70 мм; = 100 ... 350 мм; Н = 30 ... 100 мм; = 30 ... 170 мм; р > 8 мм; h_p < 30 мм; h_n = 8 мм; А >25 мм.

Технические условия на изготовление:

штамповочные уклоны 5°;

предельные отклонения на вертикальные размеры мм, диамет­ральные ± 1,0 мм, на наружный диаметр мм;

маркировать ударным способом: шифр изделия, условный номер плавки, сплав;

направление вырезки образцов - хордовое;

допускаются дефекты на величину, равную половине припуска;

поверхность очистить дробеструйной или пескоструйной обработкой;

коробление до 1,0 мм;

радиусы переходов - 8 мм.

Рис. 7.3. Типовой представитель раскатного диска

Исходной заготовкой является шайба, на которую нанесено по­крытие типа ЭВТ35, с подготов­ленной ультрамелкозернистой структурой. Процесс формообра­зования диска выполняется в на­гретой печи. Существующая кон­струкция стана АЛРД-800 позво­ляет устанавливать заготовку в нагретую печь с помощью мани­пулятора, который обеспечивает захват заготовки со специально преду­смотренного для этих целей стапеля из дополнительных печей для пред­варительного нагрева. В этом случае время прогревания заготовки со­кращается до 10 ... 20 мин. Нагрев осуществляется до температуры де­формации (для титановых сплавов 800 ... 1000 °С, жаропрочных никеле­вых сплавов 800 ... 1200 °С), затем выдерживается при этой температуре до полного прогревания заготовки по всему объему. После предвари­тельного нагрева заготовку перемещают в печь для формообразования и зажимают между двумя шпинделями.

Ролик для изотермической раскатки заготовок дисков показан на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Ролик для раскатки заготовок

Раскатка может осуществляться поперечным и продольным переме­щением роликов одновременно или по отдельности. При этом обеспечи­вается подъем реборд, лабиринтных уплотнений, оформление полотна и обода диска. После окончательного формообразования заготовки ролики выводятся за пределы заготовки диска, а сама заготовка, закрепленная на оправке, удаляется манипулятором из зоны деформации после разжима шпинделей.

Изотермическая раскатка позволяет получать диски, наружный диа­метр которых в 1,5 ... 2 раза превышает диаметр заготовки. Использова­ние эффекта сверхпластичности и благоприятная схема напряженно- деформированного состояния в очаге деформации способствуют увели­чению технологической пластичности и улучшению качества изделий. Это особенно важно при деформировании сплавов с ограниченным ре­сурсом пластичности и узким температурным интервалом горячей обра­ботки. Возможно эффективное управление поперечными размерами в широком диапазоне их соотношений и получение профиля, максимально приближенного по форме и размерам к окончательной детали, с мини­мальными отходами.

Кинематическая схема узла раскатки линии АЛРД-800 показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема узла раскатки:

1 - раскатываемая заготовка диска; 2,5- механизм перемещения передней и задней кареток роликов; 3,4 - передняя и задняя каретки; 6, 7- механизмы угловой и поперечной подачи роликов; 8 - гидроцилиндр зажима заготовки; 9 - пиноль задняя; 10 - раскатной валок;

1-10 - координаты положения раскатных роликов

Заготовки дисков из различных сплавов изготавливаются на метал­лургических комбинатах и поставляются на авиадвигателестроительные заводы согласно заказам с требуемыми свойствами и припусками на ме­ханическую обработку.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДИСКОВ

На рис. 3.6 приведена диаграмма распределения трудоемкости механиче­ской обработки диска турбины, из которой следует, что наибольшую трудо­емкость имеют операции протягивания, точения и доводочной обработки.

Рис. 3.6. Относительная трудоемкость механической обработки диска турбины

Технологическими базами при механической обработке дисков явля­ются центрирующие (посадочные) пояски или отверстия в диске и торцы (рис. 3.7).

Технологические базы в дисках турбины - центрирующие пояски или отверстия, торцы фланцев и в ряде случаев технологический бурт с от­верстием на одной стороне полотна (рис. 3.7, а, б).

Технологические базы в дисках компрессоров с центрирующими поясками (барабанного типа) - центрирующие пояски и торцы диска (рис. 3.7, в), а в дисках с торцевыми шлицами - отверстия и торцы диска (рис. 3.7, г).

Малая жесткость дисков компрессоров требует частой правки техноло­гических баз, в ряде конструкций дисков торцы обрабатывают до трех раз.

Основные этапы технологического процесса изготовления дисков. Технологические процессы изготовления дисков компрессора и турбины во многом подобны, но имеются и некоторые различия.

Диски турбины:

заготовка - штамповка, изготовленная горячим изостатическим прес­сованием гранул, предварительно грубо обточена;

точение контура диска перед ультразвуковым контролем;

ультразвуковой контроль внутренних дефектов материала заготовки;

черновое точение контура диска, раздельно правую и левую стороны. Токарный станок с ЧПУ:

стабилизирующий отжиг;

чистовое точение диска, раздельно правую и левую стороны. Токар­ный станок с ЧПУ;

окончательная обработка фланцев. Токарный станок с ЧПУ;

промежуточный контроль;

протягивание торцевых шлицев. Горизонтально-протяжной станок; сверление и зенкерование различных отверстий. Радиально-сверлильный станок;

фрезерование облегчений на фланцах диска. Вертикально-фрезерный станок;

нарезание резьбы. Резьбофрезерный станок;

протягивание елочных пазов;

шлифование торцевых шлицев;

полирование наружного контура диска;

точение лабиринтных канавок;

окончательный контроль, в том числе люминесцентный;

стабилизирующий отжиг в аргоне или вакууме;

деформационное упрочнение микрошариками сопряжений.

Диски компрессора:

заготовка - штамповка, полученная методом порошковой металлургии;

точение диска перед ультразвуковым контролем;

ультразвуковой контроль внутренних дефектов материала диска;

черновое точение контура диска, раздельно правую и левую стороны;

полирование наружного контура диска перед травлением;

травление и рентгеновский контроль внешних и внутренних дефектов материала диска;

стабилизирующий отпуск;

чистовое точение контура диска, раздельно правую и левую стороны;

окончательное точение контура диска, раздельно правую и левую сто­роны;

протягивание пазов типа «ласточкин хвост» или точение кольцевого паза для установки лопаток;

сверление и зенкерование различных отверстий;

подрезка торцов с обеих сторон;

полирование наружных поверхностей контура диска;

окончательный контроль.

Характерными операциями при изготовлении дисков являются: точение наружного контура (диафрагм, фланцев) и центрирующих поясков;

обработка пазов для лопаток и торцевых шлицев; сверление и зенкерование отверстий; фрезерование облегчений; полирование.

Черновая и чистовая обработка поверхностей наружного контура дис­ков производится на токарных станках с ЧПУ раздельно или одновре­менно с двух сторон.

Елочные пазы и пазы типа «ласточкин хвост» обрабатываются на го­ризонтально-протяжных станках или специальных протяжных станках. Диск закрепляется в делительном приспособлении, устанавливаемом прямо или под углом в зависимости от направления паза. Протягивание осуществляется, как правило, комплектом, состоящим из предваритель­ных и окончательных протяжек. Число протяжек составляет 7 ... 12 шт. в зависимости от геометрических размеров паза.

Формообразование пазов елочного профиля осуществляется по двум схемам резания: генераторной и профильной. Для получения требуемой шероховатости поверхности сложного профиля применяют протяжки, ра­ботающие по профильной схеме резания. Они обеспечивают более высо­кую точность обработки, чем протяжки, работающие по генераторной схеме. Из приведенной на рис. 3.8 схемы резания видно, что по первым шести переходам срезание припуска осуществляется по генераторной схеме резания, а окончательное формирование профиля - по профильной.

Рис. 3.8. Схема резания, применяемая при обработке пазов елочного профиля

Фасочные протяжки на зубьях паза (место II) работают на последнем переходе, поэтому заусенцы могут «завиваться» на окончательно обработанную поверхность зубьев, что нежелательно. Целесообразнее этот переход осуществлять перед профильной схемой резания, хотя это не всегда возможно из-за кон­структивных особенностей паза.

На рис. 3.9 показаны формы до­нышка пазов елочного профиля, применяющиеся в дисках турбин, и схемы их резания. Так, при конст­руктивной форме и небольших раз­мерах донышка, представленного на рис. 3.9, а, применяется только генераторная схема резания.

Рис. 3.9. Формы донышка пазов елочного профиля и схемы их резания (I ... V - номера переходов)

Увеличение размеров паза (см. рис. 3.9, б) позволяет до некото­рой степени условно применить профильную схему резания. Фак­тически схема резания остается генераторной, но профиль образу­ется главными режущими лезвия­ми трех протяжек III ... V.

Профили, представленные на рис. 3.9, в, г, образуются по двум схемам: на участке тп по генераторной схеме резания главной режущей кромкой, остальная часть профиля по профильной схеме резания. Рас­смотренные конструктивные формы донышка в технологическом отно­шении неблагоприятны: при их обработке увеличивается число протя­жек, в местах сопряжения элементов профиля т и п образуются выступы (рис. 3.9, в, г) и площадки в виде к-т-п (рис. 3.9, б), которые являются концентраторами напряжений (в этих местах шероховатость обработан­ной поверхности не соответствует заданной по чертежу).

Наиболее приемлемые в технологическом отношении конструктивные формы донышка показаны на рис. 3.9, д ... ж. Они дают возможность использовать профильную схему резания одной протяжкой, избежать указанных выше недостатков, повысить качество обработанной поверх­ности и стабилизировать его по всему профилю. Так, на Казанском мото­ростроительном заводе, изменив форму донышка елочного паза с прямо­угольной на трапецеидальную, применяют для окончательной обработки профиля донышка профильную схему резания. Внедрение профильной схемы резания с одновременной оптимизацией режимов резания позволило улучшить шероховатость Rz обработанной поверхности до 1,25, повысить долговечность протяжек, сни­зить максимальный уровень остаточных растягивающих напряжений, уменьшить глу­бину и степень наклепа и повысить с 1600 ... 1700 до 1800 ... 2000 МПа.

Для получения елочных пазов иногда применяется электрохимическая обра­ботка с последующим протягиванием. В опытном производстве или для индивидуальных заказов можно использовать электроэрозионную прово­лочную резку.

Кольцевые пазы обрабатывают точением набором резцов в специаль­ных державках на узле ротора из трех и более дисков (рис. 3.10), сварен­ных электронным лучом.

Торцевые шлицы можно обрабатывать фрезерованием, круговым про­тягиванием на специальных станках, строганием или шлифованием фа­сонным абразивным кругом.

Рис. 3.10. Цельносварной барабан ротора компрессора

Отверстия во фланцах, диафрагмах и ступицах сверлятся по наклад­ным кондукторам на обычных вертикально- или радиально-сверлильных станках.

При выполнении финишных операций используются дисковые щетки с ворсом из стальной проволоки сечением 1,2 ... 0,2 для снятия заусенцев и скругления кромок в пазах дисков и дисковые щетки с ворсом из мор­ской травы для полирования кромок. Для этих целей применяется также обработка в псевдокипящем слое. Сущность процесса заключается во взаимодействии абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью дета­ли. Струя сжатого воздуха образует в камере, в которой размещены деталь и абразивный материал, кипящий слой абразива. Каждая частица обладает запасом кинетической энергии, которая, преобразуясь в работу резания, способствует отделению от обрабатываемой поверхности небольшой стружки. Микронагрев, вызываемый отделением стружки, устраняется потоком воздуха. Действие режущих кромок абразива непродолжительно и носит импульсный характер. В результате такой обработки получаются матовые поверхности без направленных рисок. Установка для обработки в псевдокипящем слое абразива приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Установка для обработки дисков турбин в псевдокипящем слое абразива

Можно использовать электрохимическую обработку с последующим полированием капроновыми щетками для снятия растравленного слоя, толщина которого составляет 0,02 ... 0,05 мм, и устранения перехода (ус­тупа), образующегося на границе уплотнения.

С помощью электрохимической обработки выполняют скругления элементов пазов, радиус которых 0,5 ... 1,2 мм. В остальных случаях тре­буется слесарная доработка с применением бормашинок и ручная дора­ботка шлифовальной шкуркой.

Основными технологическими направлениями повышения ресурса и надежности работы дисков компрессора и турбины являются деформаци­онное упрочнение (виброупрочнение, струйно-гидравлический метод, обработка стальными или стеклянными шариками и др.); ионно-лучевая обработка наружных поверхностей.

Технический контроль дисков предусматривает проверку внутренних и внешних дефектов материала диска, геометрических размеров, формы и взаимного расположения поверхностей в соответствии с техническими условиями чертежа. Внешние дефекты проверяются визуально после травления и с помощью метода ЛЮМ-1. Внутренние дефекты диска оп­ределяются ультразвуковым методом. Размеры, форма и взаимное распо­ложение поверхностей дисков контролируются механическими, оптико- механическими и пневматическими измерительными средствами. Елоч­ные пазы проверяются с помощью проектора измерительного микроско­па, индикаторных приборов калибрами по роликам и на пневморотаметре. Для контроля пазов используются автоматизированные приборы.

4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОНОКОЛЕС И КРЫЛЬЧАТОК

4.1. КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МОНОКОЛЕС

Для новых поколений ГТД характерной особенностью является заме­на традиционно используемых дисков с лопатками на моноколеса - бли- ски (от английского blisk: bladed disk) и аналогичные бездисковые коль­цевые конструкции - блинги (от английского bling: bladed ring), рис. 4.1.

Для повышения жесткости, прочности и дополнительного облегчения конструкций типа блинг разработаны технологии кольцевых вставок из металлокомпозитов, например Ti-SiC (см. рис. 4.1).

Моноколеса и крыльчатки давно используются в производстве малых ГТД (для вертолетов, бизнес-авиации, наземной техники). Но только в последние годы их начинают применять для двигателей военной и граж­данской авиации. Это обусловлено следующими причинами.

Рис. 4.1. Эволюция лопаточных машин:

a - традиционная конструкция; б - блиск; в - блинг

Моноколеса позволяют существенно уменьшить размеры обода диска за счет устранения замковых соединений и снизить вес конструкций типа «блиск» на -30 %, «блинг» на -70 %.

Стремление к повышению удельных параметров и одновременно соз­дание компактных конструкций ГТД привело к тому, что несколько осе­вых ступеней компрессора стали заменять одним широкохордным моно­колесом или крыльчат­кой. Это позволяет уве­личить угловую ско­рость вращения ротора (до 50 ... 80 тыс. об/мин) и напорность ступеней.

При уменьшении диа­метра колес становится проблематичным разме­щение лопаток с хвосто­виками на ободе диска.

Увеличение центробежных сил и, следовательно, контактных давле­ний и вибраций в замковых соединениях лопаток с диском приводит к фреттинг-коррозии, вызывающей снижение усталостной прочности и ускоряющей появление усталостных трещин, что в свою очередь способ­ствует отрыву лопаток и выходу двигателя из строя. Снизить напряжения в соединении лопатки с диском можно благодаря применению высокона­порных моноколес.

Это связано также с успехами, полученными в области технологии обработки межлопаточных каналов, появлением прогрессивного обору­дования и современным проектированием лопаточных машин.

Таким образом, несмотря на высокую трудоемкость изготовления, моноколеса имеют ряд преимуществ, которые на современном этапе по­зволяют им успешно конкурировать с осевыми сборными колесами ком­прессоров ГТД.

У двигателя пятого поколения EJ-200 ротор компрессора состоит из семи блисков, включая вентиляторный блиск с широкохордными лопат­ками. Несколько ступеней блисков имеет двигатель серии BRR 700. По мнению специалистов, отработанная технология изготовления моноколес в итоге оказывается экономически более выгодной, чем традиционное производство дисков и лопаток.

Западные производители ГТД используют для изготовления дисков три базовые технологии:

фрезерование лопаток в монолитной заготовке;

электрохимическая прошивка межлопаточных каналов после предва­рительного фрезерования или в монолитной заготовке;

сварка лопаток с диском методом линейной сварки трением.

Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки и используется в зависимости от сложности формы лопаток, материала и габаритов.

Фрезерование блисков является традиционным способом. Он особен­но эффективен при опытном производстве. В серийном производстве этот метод может быть экономически выгоден при изготовлении титано­вых блисков сравнительно небольших размеров. Блиски из высокопроч­ных сталей и никелевых сплавов получать фрезерованием неэффективно вследствие низкой обрабатываемости этих материалов. Фрезерованием невозможно получить очень тонкие лопатки. При изготовлении блиска из титанового сплава диаметром 500 мм, имеющего 85 лопаток с хордой 33 мм, одна лопатка фрезеруется в течение 15 мин. Скорость реза­ния при черновой обработке составляет 100 м/мин, а при чистовой  300 м/мин. Такие высокие скорости резания, полученные путем оптими­зации условий обработки, позволили увеличить производительность фре­зерования на 50 %. Шероховатость рабочих поверхностей лопаток после фрезерования составляет Ra = 1,5 мкм. После фрезерования ручные дово­дочные работы не выполняются. В качестве финишной обработки исполь­зуется виброполирование, а для предварительного прорезания пазов - абразивная струйная резка.

Электрохимическая обработка является эффективным способом се­рийного производства блисков средних и малых размеров. К достоинст­вам ЭХО можно отнести высокую стабильность, производительность, отсутствие износа электродов. При использовании ЭХО не требуется ручная доработка поверхностей. Современное технологическое оборудо­вание позволяет эффективно автоматически контролировать параметры процесса. В то же время возникает ряд сложностей при подготовке про­изводства. Это касается в первую очередь оптимизации формы электро­да, выполняемой опытным путем в несколько итераций (до настоящего времени отсутствуют эффективные методики расчета формы электрода для таких сложных поверхностей, как лопатки). Требуется квалифициро­ванный опытный персонал. Перед чистовой ЭХО пазы между лопатками могут быть предварительно получены фрезерованием или струйно-абразивной резкой.

Фирма MTU наладила серийное производство моноколес диаметром 650 мм, имеющих 40 лопаток с хордой 72 мм и высотой 100 мм, из тита­нового сплава Ti-6A1-4V. ЭХО выполняется после предварительного чернового фрезерования с припуском 2 мм при плотности тока 0,5 А/мм² и подаче 1 мм/мин. Шероховатость поверхности после обработки состав­ляет Rz = 5 ... 10 мкм, время обработки одной лопатки - 5 мин.

Линейная сварка трением. Метод был разработан для ремонта сильно поврежденных лопаток, которые не подлежали ремонту сваркой плавле­нием.

Этот метод пригоден не только для ремонта, но и для получения бли­сков с лопатками большого размера. Каждая лопатка приваривается от­дельно (см. сварку трением).

Моноколеса относятся к наиболее ответственным деталям двигателя. Надежность и себестоимость их изготовления неразрывно связана с уровнем технологии производства.

На рис. 4.2 представлены фотографии моноколес, дающие представ­ление о сложности их конструкции и изготовления.

Рис. 4.2. Моноколеса

Применяемые в отечественных ГТД моноколеса, несмотря на относи­тельно небольшую номенклатуру, значительно отличаются друг от друга конструктивным исполнением.

Для изготовления моноколес в основном применяются титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ5-1, ВТ-6, ВТ-8, ВТ-25, а также алюминиевые сплавы АК4-1, АК-6, ВД-17.

Размеры монолитных колес находятся в диапазоне 170 ... 700 мм по наружному диаметру и 25 ... 175 мм по ширине.

Количество лопаток, даже на колесах примерно одного диаметра, раз­лично.

Высота лопаток составляет 0 ... 200 мм, причем для осевых колес она значительно выше, чем для центробежных.

Толщина лопаток составляет от 0,9 до 3,0 мм, что в значительной сте­пени влияет на жесткость технологической системы и требует продуман­ного выбора технологических переходов при обработке, а в некоторых случаях применения промежуточной заливки межлопаточного простран­ства перед фрезерованием.

Точность изготовления профилей лопаток моноколес должна соответ­ствовать ОСТ 102571-86 «Предельные отклонения размеров, формы и расположения пера», а шероховатость трактовых поверхностей - Ra = 0,32 ...0,63 мкм.

Почти во всех конструкциях монолитных колес профиль межлопаточ­ного пространства строится с использованием простых образующих, что облегчает составление управляющих программ обработки. Отечествен­ные 5-координатные фрезерные станки типа ДФ-224Р, ДФ-966, MA 55С5Н, имеющие угол поворота инструмента ± 22,5°, позволяют об­рабатывать моноколеса с простой формой межлопаточных каналов по 3 ... 4 координатам. Фрезерование лопаток моноколес, имеющих слож­ные поверхности, на таких станках с достаточной технологической точ­ностью невозможно, так как обработка должна производиться одновре­менно по 5 координатам. При этом два вращающихся стола станка должны находиться во взаимно перпенди кулярных плоскостях и иметь на вертикальном столе станка возможность поворота на 3600. 5-координатный обрабатывающий центр идеально под­ходит для изготовления турбинных моноколес (рис. 4.3) центробежного и осевого типов. Диапазон наклона поворотного стола от -60 до +1500. Фрезерование выполняется со спиральным и боковым входом инструмента.

Рис 4.3. Схема фрезерования лопаток турбинного моноколеса

На некоторых предприятиях отрасли, в том числе на ММПП «Салют», освоена и внедрена высокоточная раз­мерная обработка межлопаточных каналов моноколес компрессоров на швейцарских станках фирм «Лихти» и «Штараг», для чего организован специализированный участок, на котором размещены фрезерные станки с ЧПУ, оборудование для перезаточки и контроля режущего инструмента, контрольные приборы.

Обработка межлопаточных каналов выполняется концевыми твердо­сплавными фрезами, изготовление, переточка и контроль которых осу­ществляется на 8-координатных шлифовальных станках с ЧПУ фирмы «Сафаг» (Швейцария).

На рис. 4.4 показан 5-координатный 4-позиционный станок фирмы «Лихти».

Отличительной особенностью этого оборудования является:

одновременная обработка четырех моноколес;

автоматическое бесступенчатое регулирование подачи с помощью сис­темы «адаптивного контроля», специально разработанной для черновой и чистовой обработки;

температурная стабили­зация (опоры шпинделя, межцентровое расстояние и т.п.) посредством охлажде­ния компрессором позволя­ет добиться максимальной частоты вращения шпинде­ля и улучшения точности обработки при многошпиндельном, многоместном длительном режиме работы.

Рис. 4.4. Фрезерный многопозиционный станок для обработки моноколес фирмы «Лихти»

Разработанный на предприятии технологический процесс изготовле­ния моноколес включает следующие основные операции: заготовка - непрофилированная поковка (шайба); предварительная и окончательная обточка поковок на токарных стан­ках MflW20;

предварительное и окончательное фрезерование межлопаточных ка­налов на станках с ЧПУ фирм «Лихти» или «Штараг»;

окончательная обработка межлопаточных каналов (полирование, скругление кромок пера лопаток на пневмомашинах типа СМ21-3-18000 борфрезами и войлочными кругами с накатанным абразивом);

контроль геометрии межлопаточных каналов, выполняемый непо­средственно на фрезерном станке с ЧПУ, на котором вместо обрабаты­вающего инструмента устанавливается контрольная измерительная го­ловка, выдающая информацию в системе ЧПУ станка на экран дисплея или распечатку отклонений. Контроль геометрии межлопаточных кана­лов может выполняться также на контрольно-измерительной машине.

С целью автоматизации процесса подготовки управляющих программ, выбора параметров режущего инструмента для предварительного и окон­чательного фрезерования и оценки формообразования используются ма­тематические модели межлопаточных каналов.

Фрезерование межлопаточных каналов на станках фирм «Лихти» и «Штараг» выполняется с достаточной точностью и шероховатостью по­верхностей под окончательную безразмерную обработку.

Технология окончательной безразмерной обработки межлопаточных каналов отрабатывается на установках типа ВГМ в среде свободного аб­разива, где лопатки получают требуемую шероховатость поверхностей и заданный профиль входной и выходной кромок.

В отрасли имеется опыт изготовления монолитных рабочих колес компрессора самолетных ГТД сравнительно большого диаметра с помо­щью электронно-лучевой сварки. Технология освоена в опытном произ­водстве.

Основные операции разработанной технологии:

изготовление лопаток из штампованных заготовок с хвостовиками, образованными плоскими поверхностями;

токарная обработка обода диска;

сборка лопаток с ободом в специальном приспособлении;

электронно-лучевая сварка на установке ЭЛУ-9Б, оснащенной энерге­тическим блоком БЭП-60/16К и модернизированной прямонакальной электронной пушкой ЭП-60/2,5. Сварка ведется вертикальным лучом, однопроходная и двухпроходная на скорости 36 и 45 м/ч соответственно.

Выбор скорости сварки обусловлен опытом серийного производства сварных соединений из титановых сплавов. Режим сварки: = 60 кВ, = 50 ... 55 мА, , = 0,947 А, расстояние от пушки до сва­рочного образца 120 мм;

термическая обработка - отжиг при t - 850 °С в течение 2 ч;

окончательная токарная обработка;

окончательная обработка трактовых поверхностей, в том числе свар­ных швов, вручную бормашинкой.

Прочностные характеристики сварных соединений из сплава ВТ-25 определялись механическими испытаниями на кратковременный разрыв, длительную 100-часовую прочность при температуре испытания 500 °С и ударную вязкость. Длительная прочность сварного соединения при вы­держке 100 ч и t = 500 °С равна 560 ... 580 МПа, что соответствует дли­тельной прочности основного материала.

4.2. КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КРЫЛЬЧАТОК

В современных ГТД наиболее часто используются осевые компрессо­ры. Центробежные компрессоры встречаются значительно реже. Основ­ной деталью центробежного компрессора является крыльчатка.

По конструктивным признакам различают следующие виды крыльча­ток (рис. 4.5): открытые (заборники), полузакрытые и закрытые. Полузакрытые и закрытые бывают односторонними и двухсторонними. Некото­рые конструкции крыльчаток показаны на рис. 4.6.

Рис. 4.5. Виды крыльчаток: а - открытая: б - полузакрытая; в - закрытая литая; г - закрытая паяная

Рис. 4.6. Крыльчатки

Открытая крыльчатка представляет собой ступицу с лопатками (лопа­стями) без торцевой стенки.

Полузакрытая крыльчатка имеет ступицу и диск, к которым примы­кают лопатки. Последние бывают прямыми и криволинейными трапе­цеидального сечения и с постепенным утолщением к ступице. У неболь­ших крыльчаток лопатки могут иметь заборные части. В большинстве современных ГТД применяют полузакрытые крыльчатки.

Закрытые крыльчатки (литые) и сборные (паяные) в авиационных ГТД применяются редко, что обусловлено трудностью их изготовления и недостаточной прочностью.

Соединение компрессора с валом и передача крутящего момента от вала турбины к крыльчатке осуществляются:

креплением вала к крыльчатке с помощью фланцев и шпилек; соединением эвольвентными шлицами;

креплением крыльчатки с цапфой штифтами; цапфа имеет торцевые шлицы для передачи крутящего момента.

Точность обработки отдельных поверхностей и их взаимного распо­ложения характеризуется следующими величинами:

посадочные поверхности (рис. 8.5, поверхности А) и лабиринтные пояски (Д) - 6 ... 10-й квалитеты;

наружный диаметр (поверхность Б) - 8 ... 10-й квалитеты; остальные поверхности - 11 ... 12-й квалитеты;

биения наружного диаметра (Б) и торцов (В, Г) относительно поса­дочных поверхностей (А) - 0,02 ... 0,05 мм;

шероховатость лопаток полузакрытых и открытых крыльчаток Ra = = 0,16 ... 0,08 мкм.

Большинство открытых и полузакрытых крыльчаток выполняют из алюминиевых деформируемых сплавов АК4-1, АК6-1, ВД-17. Если тем­пература крыльчаток в условиях эксплуатации выше 200 °С, то крыль­чатки изготавливают из титановых сплавов ВТ-10, ВТ-25У. Для закрытых цельных крыльчаток применяют литейные алюминиевые сплавы, а для сборно-паяных - стали 30ХГСА, 12X18Н9Т и др.

Заготовки открытых и полузакрытых крыльчаток обычно получают в закрытых штампах. Заготовки крыльчаток из алюминиевых сплавов от­ливают в земляные формы, металлические кокили и оболочковые формы.

Механическая обработка крыльчаток делится на три этапа. При чер­новом этапе обрабатываются все поверхности крыльчатки и снимается до 70 % всего припуска. Обработка ведется с большими подачами и глуби­нами резания. На чистовом этапе снимаются оставшиеся 30 % припуска. Точность и шероховатость поверхности на этом этапе в основном соот­ветствует требованиям чертежа. На окончательном этапе полируются лопатки и полки.

Технологическими базами при обработке открытых и полузакрытых крыльчаток служат наружные поверхности Б, отверстия А и торцы В и Г (рис. 4.5).

Основные этапы технологического процесса изготовления полузакры­той крыльчатки:

штамповка;

точение наружного контура и подрезка торца;

ультразвуковой контроль материала заготовки;

растачивание отверстия и подрезка другого торца;

сверление отверстий под шпильки и развертывание двух из них;

черновое и чистовое точение наружного контура крыльчатки (раз­дельно правую и левую стороны);

координатно-расточная;

фрезерование лопаток (предварительное);

термообработка (стабилизация);

окончательное точение наружного контура крыльчатки;

фрезерование лопаток (окончательное);

обработка шлицев;

окончательное точение наружного контура крыльчатки;

балансировка;

технический контроль.

Обработка цилиндрических поверхностей и торцов крыльчаток вы­полняется на токарных станках с ЧПУ, токарно-револьверных, токарно-карусельных станках, специальных станках для глубинного шлифования торцевых шлицев и др.

Обработка лопаток заключается в прорезке впадины между лопатками и последующем формировании рабочих поверхностей на копировально- фрезерных станках и специальных фрезерных станках с делительным приспособлением. В настоящее время для черновой и чистовой обработ­ки лопаток, имеющих сложный пространственный профиль, более широ­ко применяются пятикоординатные обрабатывающие центры с системой ЧПУ. Обработка производится коническими концевыми фрезами.

В качестве финишных операций применяется виброабразивная обра­ботка в установках с закреплением крыльчатки в контейнере или гидро­дробеструйное упрочнение.

Лопатки и поверхности полок полируют войлочными, фетровыми и бязевыми кругами с нанесенным абразивом. Спинку лопатки открытой крыльчатки полируют бесконечными абразивными лентами на полиро­вальных станках с механической подачей ленты вдоль лопаток или на ленточно-полировальной бабке с ручным перемещением лопатки относи­тельно движущейся ленты. Корыто лопатки открытой крыльчатки поли­руют на бормашинах фетровыми конусными кругами с наклеенным абра­зивом.

Балансировка крыльчаток только статическая, динамическая баланси­ровка обычно делается в собранном роторе.

Основными геометрическими параметрами, проверяемыми на оконча­тельном контроле с помощью приспособлений, являются:

угловое расположение лопаток;

толщина лопаток по линии равных толщин;

биение цилиндрических и торцевых поверхностей;

кривизна лопаток в поперечном и продольном направлениях.

Проверка осуществляется по дисковым шаблонам, на индикаторных приборах и координатно-измерительных машинах.

Лопатки открытых крыльчаток контролируют по частоте собственных колебаний на вибрационной установке с помощью звуковых колебаний различной частоты, подаваемых генератором. При совпадении частот собственных колебаний с частотой датчика установки на экране осцилло­графа появляется изображение прямоугольника с максимальной высотой.

Внешние дефекты выявляют методом ЛЮМ-А, внутренние - рентге­новским или ультразвуковым методом.

Для повышения ресурса и надежности крыльчаток рекомендуются нанесение защитных покрытий и деформационное упрочнение микроша­риками.

5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВАЛОВ ТУРБИНЫ И КОМПРЕССОРА

5.1. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МАТЕРИАЛЫ

КОНСТРУКЦИЯ ВАЛОВ

Валы турбины и компрессора, предназначенные для передачи крутя­щего момента, относятся к наиболее ответственным деталям двигателей, работают с большими нагрузками и высокой частотой вращения.

К прочности, точности, сбалансированности и массе валов предъяв­ляются высокие требования, что приводит к значительному усложнению конструкции валов и технологии их изготовления, относительно высокой трудоемкости. В частности, чтобы уменьшить массу, приходится услож­нять форму валов, делать их пустотелыми и тонкостенными.

Рис. 5.1. Валы:

а - турбины низкого давления; б - турбины высокого давления; в - компрессора; г - с цапфой, технологичной при ротационном выдавливании

Внешние поверхности валов турбины (рис. 5.1, а, б) (в двухвальных ГТД называемые валом турбины высокого давления и валом турбины низкого давления) и компрессоров (рис. 5.1 в, г) представляют собой раз­личные сочетания гладких шеек, шлицев резьбы, зубчатых колес, флан­цев и т.п. Фланцы некоторых валов, часто имеют внутренние или торце­вые шлицы, отверстия под крепежные болты. Форма осевых отверстий задается в основном из условий равнопрочности детали, поэтому они бывают прямыми, ступенчатыми, сферическими и др. Большинство ва­лов, кроме осевых, имеет и радиальные отверстия для подвода масла из внутренней полости к наружным трущимся поверхностям.

Технические условия на изготовление валов. Тяжелыми условиями ра­боты валов обусловлены высокие требования к точности их обработки, которые характеризуются следующими величинами:

точность рабочих шеек - 6 ... 7-й квалитет, а нерабочих - 8 ... 12-й квалитет;

отклонение геометрической формы рабочих шеек допускается в пре­делах 0,005 ... 0,02 мм, а нерабочих - 0,04 ... 0,1 мм;

биение рабочих шеек относительно друг друга допускается в пределах 0,01 ... 0,04 мм;

взаимное биение рабочих и нерабочих шеек допускается в пределах 0,05 ... 0,2 мм;

точность сопрягаемых отверстий - 5 ... 7-й квалитет;

точность осевых отверстий - 8 ... 11-й квалитет;

разностенность не более 0,1 мм; точность резьбы -6 ... 7-й квалитет;

точность шлицев -6 ... 7-й квалитет;

шероховатость рабочих поверхностей Ra = 0,16 ... 1,25 мкм, а осталь­ных - 1,25 ... 5 мкм.

Некоторые валы статически и динамически балансируются с высокой точностью (остаточный дисбаланс 20 ... 40 г • см).

Рабочие поверхности валов часто цементируют на глубину от 0,7 до 1,2 мм. Твердость цементируемых поверхностей HRC = 58. В некоторых случаях рабочие поверхности валов азотируют. Глубина азотируемого слоя 0,6 ... 0,9 мм, а твердость HRC = 65.

Дефекты поверхностного слоя (трещины, надиры, риски и прижоги) на валах турбины и компрессора не допускаются.

Материалы валов. Для изготовления валов компрессора и турбины применяются высококачественные легированные стали и сплавы. В двига­телях второго и третьего поколений для валов компрессоров чаще всего применялись хромоникелевые стали 18ХНВА, 12ХНЗА, 40ХНМА и мар- тенситные теплостойкие нержавеющие стали 13X11Н2В2МФА (ЭИ961Ш), 1Х12Н2МФАБ (ЭП517), а для валов турбин - сплавы ХН73МБТЮ (ЭИ698), ХН77ТЮ (ЭИ437А), ХН77ТЮР (ЭИ437БУВД). В двигателях четвертого и пятого поколений - 1Х15НМФАБК4 (ЭП866), Х12НМБФ (ЭП609Ш0) (валы компрессоров) и ХН70МВТЮБ (ЭИ598), ХН77ТЮ (ЭИ437А), ЭП741НП (валы турбин).

Технологичность конструкции валов. Технологичность валов ГТД оп­ределяется в основном длиной вала, сложностью конфигурации наруж­ных и внутренних поверхностей, наличием удобных подходов режущего инструмента при обработке и видом, заготовки.

Высоколегированные сплавы, из которых изготовляют валы турбин, обладают низкой обрабатываемостью резанием. Получение заготовок с малыми припусками, как правило, затруднительно. Валы турбины более чем вдвое длиннее валов компрессора. Внутренняя полость валов турби­ны обычно имеет ступенчатый профиль с удобными подходами режуще­го инструмента для обработки.

Заготовки валов ГТД получают горячим деформированием и ротаци­онным выдавливанием.

Технологичными являются конструкции валов, имеющих небольшой диаметр фланца по сравнению с диаметром его стержня. Заготовку тако­го вала с фланцем диаметром до 300 мм можно получить на горизонталь­но-ковочной машине (ГКМ) высадкой из прессованного прутка или бес­шовной трубы. Дальнейшего увеличения КИМ и согласования волокон­ной структуры можно добиться операцией ротационного выдавливания.

Валы, которые можно получить ротационным выдавливанием, услов­но делятся на три конструктивные группы: цилиндрические, конические и с цилиндрическими и коническими участками. Наиболее технологич­ными для ротационного выдавливания являются валы первой группы, наименее - третьей.

Нетехнологичными являются валы: с высокими наружными и внут­ренними выступами (их невозможно изготовить ротационным выдавли­ванием); с закрытой полостью; имеющие ступени разного диаметра и стенки большой толщины; имеющие вогнутые и выпуклые поверхности на коническом участке.

Технологичная конструкция вала не должна иметь выступов. Толщи­на стенок может быть как переменной, так и постоянной, угол наклона конической поверхности к оси вала не более 30°.

Длина вала в современных ГТД достигает 2000 мм и более. С точки зрения проведения технологических процессов термической обработки вал длиной более 1000 мм можно считать нетехнологичным, так как имеющиеся на заводах электропечи для термической обработки таких валов непригодны: требуются специализированные шахтные электропечи с рабочей температурой 1000 °С и большим пространством.

Валы, получаемые штамповкой, поступают на термическую обработ­ку с припусками более 3 мм на сторону для последующей механической обработки, поэтому нагрев их под закалку производят в обычных элек­тропечах без защитных атмосфер.

Валы, получаемые ротационным выдавливанием, проходят двойную термическую обработку: после обдирки заготовка вала поступает на нор­мализацию и высокий отпуск для подготовки структуры металла под ро­тационное выдавливание. Эти операции проводятся в электропечах с окислительной атмосферой. После ротационного выдавливания точные заготовки подвергаются закалке с последующим отпуском или старени­ем. Заготовки, полученные таким способом, обычно имеют припуск на сторону 0,8 ... 1,0 мм. В этом случае операцию закалки следует прово­дить в вакууме или в среде аргона.

Нетехнологичными являются валы с чрезмерно развитым фланцем сложной геометрии. Они требуют большого объема механической обра­ботки, КИМ как следствие уменьшается. Для повышения технологичности валов целесообразно упрощать геометрию фланца и внутренней полости.

Повысить технологичность валов можно сваркой из отдельных эле­ментов.

5.2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ

ЗАГОТОВКИ ВАЛОВ

Заготовки валов, как правило, получают горячим деформированием (1050 ... 1200 °С). Заготовки для пустотелых тонкостенных валов цилин­дрической и конической формы можно получить ротационным выдавли­ванием.

Штампуют заготовки молотом, на прессах или горизонтально- ковочных машинах. Разъем штампа в зависимости от формы заготовки может быть вдоль или поперек оси вала (рис. 5.2, а, б). Поперечный разъ­ем возможен обычно в тех случаях, когда вал имеет на конце фланец, а остальная его часть гладкая или ступенчатая с постепенным (от фланца) уменьшением диаметров ступеней.

При поперечном разъеме, когда диаметр отверстия достаточно велик, можно получить отверстие со стороны большого торца (у разъема), осо­бенно если заготовка куется на ГКМ. Даже в единичном производстве валов эти методы предпочитают более дешевым (при малой программе) методам отрезки заготовок непосредственно от прутков, свободной ковке в открытых или полуоткрытых штампах из-за высоких требований к прочности материала и направлению волокон.

При прессовании используются относительно короткие сменные мат­рицы из штамповой стали, которые вставляются в коническое гнездо универсального корпуса из дешевой стали. В нижнем основании оконча­тельных матриц (состоящих из двух полуматриц с разъемом по плоскости вдоль оси вала) имеется отверстие, через которое пуансон выдавливает в открытое пространство длинную часть заготовки вала. Пуансон, выдавли­вающий этот металл и обеспечивающий таким образом заполнение фигуры матрицы, имеет на конце иглу-оправку, формирующую отверстие части вала, истекающей из матрицы (рис. 9.2, в). Так можно получить в валах отверстия малого диаметра длиной 2 ... 2,5 м при высоком КИМ.

Штамповочные уклоны для отверстий назначаются в пределах 10 ... 15°, а для наружных поверхностей - 3 ... 7°. Все переходы у заготовки долж­ны быть плавными, направление волокон должно соответствовать конфи­гурации вала.

Заготовки валов турбины и компрессора принимают по первой группе контроля (ОСТ 100021-78). В этом случае от каждой заготовки отрезают кусок длиной 70 ... 75 мм, из которого изготавливают образцы для меха­нических испытаний на разрыв и ударную вязкость.

Рис. 5.2. Заготовки валов в случае:

а - продольной плоскости разъема штампов; б - поперечной плоскости разъема штампов; в - прессования; г - изостатического прессования вакуумом из гранул

При изготовлении валов из трубных заготовок на ГКМ можно также производить набор металла внутрь трубы, т.е. уменьшить его внутренний диаметр.

В отдельных случаях, когда диаметр фланца большой, желательно применять сборные конструкции, состоящие из фланца и стержня. Изме­нение конструкции позволяет значительно снизить расход металла, объ­ем кузнечной и механической обработки. Находят применение заготовки, полученные горячим изостатическим прессованием гранул (рис. 9.2, г).

Одним из рациональных способов изготовления деталей цилиндриче­ской, конической и овальной форм является ротационная вытяжка, по­зволяющая повысить КИМ с 0,1 ... 0,3 до 0,4 ... 0,7, обеспечить высокие механические характеристики материала и снизить деформирующее уси­лие в 100 и более раз.

Ротационная вытяжка дает возможность из осесимметричных загото­вок локальным приложением получать детали сложных форм из самых разнообразных материалов.

Процесс представляет собой формообразование полых осесимметрич­ных заготовок, устанавливаемых на вращающейся оправке, с помощью перемещающихся роликов или шариков. Наличие локального очага кон­такта при ротационной вытяжке дает возможность получать за один про­ход значения степени деформации до 75 %, что делает этот процесс од­ним из самых эффективных, особенно в единичном производстве и при изготовлении деталей малыми сериями. Низкая стоимость производства связана с тем, что стоимость оснащения ротационно-вытяжного оборудо­вания составляет 5 ... 10 % от стоимости штампов, причем с увеличением размеров деталей эффективность процесса ротационной вытяжки возрас­тает. Ротационной вытяжкой можно получать полые заготовки с посто­янной и переменной толщиной стенки, имеющие широкий диапазон раз­меров (диаметром до 4000 мм, толщиной стенки до 70 мм и длиной до 6000 мм). Высокие технико-экономические показатели процесса стали возможны благодаря созданию целого ряда совершенного ротационно- вытяжного оборудования. Процесс может осуществляться как прямым методом, при котором направление течения металла совпадает с направ­лением перемещения формообрующего инструмента, так и обратным, при котором металл течет в сторону, противоположную направлению перемещения роликов, что позволяет получать детали цилиндрической (рис. 5.3), конической и других форм. Ротационная вытяжка может осу­ществляться без специального нагрева заготовок, с нагревом и в изотер­мических условиях.

Изотермическая ротационная вытяжка может выполняться на модер­низированном стане СРД-800.

Рис. 5.3. Схемы ротационной вытяжки цилиндрических заготовок: а - прямая; б - обратная

Основные технические характеристики стана СРД-800:

частота вращения инструмента (роликов) 0,15 ... 15 об/мин;

частота вращения пинолей (заготовки) 0,2 ... 2,0 об/мин;

скорость внедрения инструмента в тело заготовки (подача осевая) 0,02 ... 0,2 мм/с;

скорость перемещения инструмента в радиальном направлении (пода­ча радиальная) 0,02 ... 0,6 мм/с;

усилие внедрения (осевое) инструмента в заготовку до 1100 кН;

усилие радиальной подачи 75 кН;

максимальное давление в гидросистеме (при зажиме заготовок пинолями) 630 МПа;

мощность нагревательного устройства (печь ПЗР-1) 40 кВт;

суммарная потребляемая мощность стана 104,8 кВт;

предельная величина уровня шума 85 дБа;

габаритные размеры (длина х ширина х высота) 9800 х 7100 х 5300 мм;

масса 82 000 кг.

Схема устройства для ротационной вытяжки показана на рис. 5.4. Для крепления оправки 6 используется один из шпинделей 5 правой каретки стана. Второй конец оправки поддерживается опорой, размещен­ной на стане с противоположной стороны. Формообразующие ролики 7 устанавливаются в шпинделях каретки под углом 8° к оси оправки. Заго­товка 3 крепится на оправке накидной гайкой 4. Устройство размещается в печи 2 стана. В качестве смазки применяют стеклоэмаль ЭТВ10 при температурах обработки более 1000 °С и ЭВТ24 при температурах ниже 1000 °С. Обработку осуществляют роликами диаметром 140 мм из сплава ЖС6У. Исходную заготовку получают ковкой или прессованием с после­дующей механической обработкой. Наиболее стабильно процесс проте­кает при степенях обжатия 0,4 ... 0,6. Изотермическая ротационная вы­тяжка обеспечивает получение заготовок валов с припусками на механи­ческую обработку 2 ... 3 мм на сторону (рис. 5.5).

Рис. 5.4. Схема устройства для изотермической ротационной вытяжки валов

Рис. 5.5. Исходная заготовка для изотермической вытяжки (а) и заготовка вала (б)

Исходная заготовка под ротационное выдавливание в 2 ... 3 раза ко­роче исходной заготовки под механическую обработку того же вала и имеет меньшую массу.

Пустотелая штамповка механически обрабатывается до размеров за­готовки под ротационное выдавливание. После ротационного выдавлива­ния заготовка должна иметь припуски на толщину стенки 0,5 ... 2,0 мм под окончательную механическую обработку вала.

В технических условиях на заготовки валов задаются: термическая обработка, твердость, структура волокон на макрошлифах образцов, вы­резанных из отработанных заготовок. Указывается метод контроля де­фектов (рентгеновский, ультразвуковой, люминесцентный, цветная де­фектоскопия) и соответствующая подготовка поверхности.

Припуски на механическую обработку в зависимости от формы и размеров валов - 6 ... 12 мм на диаметр для штамповок и 0,5 ... 2 мм по­сле ротационного выдавливания. Их определяют расчетным путем, поль­зуясь соответствующими нормативами.

Заготовки валов компрессоров и турбин, как и заготовки дисков, про­изводятся на специализированных предприятиях и поступают на авиа- двигателестроительный завод предварительно механически и термически обработанными. На заводе они проходят комплексный входной контроль. Для улучшения обрабатываемости лезвийным инструментом заготовки подвергаются закалке при температуре 1010 ... 1050 °С и отпуску при 570 ... 650 °С.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ БАЗЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ

Основной технологической базой при механической обработке на­ружного контура валов, особенно длинных, являются центровые фаски. В случае обработки внутренних поверхностей вала, а также мелких осе­вых и радиальных отверстий технологической базой служит наружный диаметр стержня и его торец.

Для увеличения жесткости длинных валов при обработке наружных и внутренних поверхностей широко используются люнеты.

Технологическими базами для механической обработки валов боль­шого диаметра, но коротких, например вала ТВД, являются наружный диаметр и торец вала и диаметр фланца и его торец.

Закрепление валов на станках обычно осуществляется в трех- и четырехкулачковых патронах.

В качестве примера рассмотрим основные этапы технологических процессов изготовления вала турбины низкого давления.

Вал турбины низкого давления (см. рис. 9.1, а) выполнен из мартен- ситно-стареющей стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш (ЭП.517) (ТУ 14-1-2902-80).

1. Штамповка, термообработка с твердостью по Бриннелю d = 3,5 мм, без предварительной механической обработки, КИМ = 0,15, первая груп­па контроля (ОСТ 1000021-78). Термическая обработка заготовок валов на заводе-поставщике производится по режиму: нормализация при температуре нагрева 1120 ± 15 °С на воздухе; отжиг при температурах 740 ± 15 °С на воздухе; закалка с 1120 ± 10 °С в масло; отпуск 670 ... 700 °С на воздухе.

2. Подрезка торцов, точение на стержне шеек под люнет, зацентровка стержня вала (подготовка технологических баз для черновой обработки вала). Токарный станок.

3. Черновое точение наружного контура вала. Токарный станок 1Б732ФЗ с ЧПУ.

4. Предварительное сверление отверстий с торца стержня, отрезка об­разца для механических испытаний, зацентровка вала со стороны фланца. Токарный станок.

5. Глубокое сверление отверстия со стороны фланца. Специальный горизонтально-сверлильный станок фирмы «Берингер» (ФРГ).

6. Точение внутренних поверхностей фланца. Токарный станок.

7. Термообработка вала (закалка, отпуск), твердость НВ d = 228 ... 248 мм.

8. Чистовое точение наружных поверхностей вала. Специальный ста­нок с ЧПУ фирмы «Хайнеман» (ФРГ).

9. Чистовое растачивание внутренней полости вала. Горизонтально- расточной станок МК-6017. Горизонтально-сверлильный станок фирмы «Берингер».

10. Окончательное точение наружного контура вала и фланца.

11. Шлифование наружных и внутренних поверхностей вала. Круглошлифовальный и внутришлифовальный станки.

12. Фрезерование эвольвентных шлицев на стержне вала. Зубофрезер- ный станок.

13. Сверление радиальных отверстий различного диаметра, фрезеро­вание канавок пазов. Радиально-сверлильный и вертикально-фрезерный станки.

14. Нарезание резьбы со стороны фланца и на стержне. Токарный станок.

15. Магнитный контроль наружных дефектов материала вала. Уста­новка МСАТ-ЮОООРЭ (УМД-9000).

16. Шлифование и алмазное выглаживание наружных и внутренних базовых поверхностей фланца. Круглошлифовальный, внутришлифовальный и токарный станки.

17. Точение канавок лабиринтного уплотнения на фланце, раздельно каждую канавку фасонным резцом. Токарный станок.

18. Полирование наружных поверхностей и внутренней полости вала. Токарный станок.

19. Окончательный контроль геометрии вала, в том числе магнитный контроль внешних дефектов материала.

Чистовая механическая обработка наружных и внутренних поверхно­стей валов осуществляется в основном на высокоточных металлорежу­щих станках с ЧПУ, обеспечивающих заданную точность и равностенность валов в пределах 0,1 мм.

Основная цель этого этапа - получение вала с малыми припусками на окончательную обработку и исправление погрешностей после первого этапа механической обработки и коробления после термообработки.

При окончательной обработке необходимо получить заданные точ­ность, шероховатость и физико-химическое состояние поверхностного слоя рабочих поверхностей вала. По этой причине недопустимы условия, которые могут привести к значительным погрешностям вследствие де­формации и нагрева детали. Наибольший удельный вес на этом этапе имеет абразивная обработка на шлифовальных станках. Кроме того, при­меняются различные методы отделки (хонингование, суперфиниширова­ние, алмазное выглаживание и полирование). На этом же этапе, как пра­вило, обрабатывают резьбы, шлицы и другие поверхности, поврежденные при предыдущей обработке.

При построении технологического процесса обработки вала обычно придерживаются последовательности, при которой на последних этапах внутренние поверхности обрабатываются ранее наружных.

Для валов, имеющих отдельные цементируемые участки, место тер­мообработки в технологическом процессе зависит в основном от способа защиты нецементируемых поверхностей. В авиадвигателестроении для этих целей применяют следующие способы:

меднение нецементируемых поверхностей перед цементацией;

увеличение на нецементируемых поверхностях припуска, который снимают после цементации, перед закалкой;

комбинацию первого и второго способов, заключающуюся в медне­нии поверхностей с увеличенным припуском, который снимают после закалки деталей (двойная защита).

При решении вопроса о выборе способа защиты от цементации руко­водствуются следующими соображениями. Если допускается локальное повышение твердости на нецементируемых поверхностях, то применяют первый способ. Если деталь имеет поверхности, повышение твердости которых совершенно недопустимо (места, где после закалки должны сверлиться мелкие отверстия, нарезаться резьба, шлицы и т.п.), то приме­няют третий способ. Наконец, если при обработке (чистовой или оконча­тельной) нецементируемых поверхностей лезвийным режущим инстру­ментом приходится обрабатывать и участки цементируемых поверхно­стей, то в этом случае применяют второй способ.

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ВАЛОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Для повышения ресурса и надежности работы валов ГТД используются следующие технологические методы воздействия на физико-химическое состояние поверхностного слоя основных рабочих поверхностей: дефор­мационное упрочнение, цементация, азотирование и ионное легирование.

Деформационное упрочнение поверхностного слоя валов осуществ­ляют виброупрочнением, накатыванием, дробеструйным, ультразвуко­вым и другими способами. Для каждого конкретного случая в зависимо­сти от типоразмеров валов и предъявляемых требований должен быть определен оптимальный метод упрочнения. Небольшие валы упрочняют вибрационным методом с закреплением или без закрепления деталей. Валы длиной до 300 мм упрочняют струйно-механическим методом на установке типа ГРП-300, а валы длиной до 1500 мм - на струйно- пневматической установке типа УДП-1.

Валы всех типоразмеров можно упрочнять обкатыванием и алмазным выглаживанием. Упрочнение обкатыванием обеспечивает шероховатость поверхности Ra = 0,16 мкм, значительный по величине наклеп, остаточные напряжения сжатия, повышение усталостной прочности на 20 ... 25 %. Обкатываются не только сами валы, но и галтели, при этом снижается эффект концентрации напряжений.

Алмазное выглаживание значительно повышает усталостную проч­ность и износостойкость деталей. Замена абразивной обработки алмаз­ным выглаживанием избавляет от прижогов и абразивных зерен, шаржи­рованных в поверхность, обеспечивает наклеп глубиной 0,2 ... 0,4 мм, остаточные напряжения сжатия, высокую чистоту поверхности.

Внутренние поверхности валов глубиной до 2000 мм и диаметром 40 ... 300 мм упрочняют струйно-пневматическим методом.

ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ВАЛОВ

Диаметры шеек валов проверяют скобами и микрометрами, диаметры отверстий - пробками и индикаторами для внутреннего измерения, на­ружную резьбу - скобами, кольцами и микрометрами, внутреннюю резь­бу - резьбовыми пробками.

Точность взаимного расположения рабочих и базовых поверхностей контролируют специальными измерительными приспособлениями с ин­дикаторами. Валы обычно устанавливают базовыми поверхностями на призмы.

Толщину стенок валов сложной формы измеряют с помощью ультра­звукового прибора УТ-603. Шероховатость поверхностей проверяют ви­зуально, сравнивая с контрольными образцами ГОСТ 9373, 60845-068. Качество деформационного упрочнения микрошариками торцевых шли­цев вала ТВД определяют по прогибу имитатора (образец-свидетель - пластина 70 х 20 х 1,2 мм), закладываемого вместе с валом в камеру для упрочнения. Поверхностные дефекты типа волосовин и микротрещин на наружных и внутренних поверхностях валов проверяют магнитопорош- ковым методом с помощью магнитного дефектоскопа типа УМДЭ-100.

Внутренние дефекты материала валов контролируются ультразвуко­выми дефектоскопами типа УД2-12.

6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧАХ

Назначение зубчатых передач ГТД - отбор движения от ротора, его преобразование и передача по кинематическим цепям к функциональным элементам и агрегатам (винты турбовинтовых двигателей, насосы, гене­раторы и т.д.) с обеспечением необходимых скоростей, мощностей и кру­тящих моментов. Особое место занимают редукторы, встроенные в тур­бовинтовые и турбовальные двигатели, так как при относительно малых габаритах, диктуемых конструкцией летательных агрегатов, они переда­ют основную энергию двигателя либо на воздушные винты самолета, либо на трансмиссию и ротор вертолета. Зубчатые передачи используют­ся также для передачу движения от стартера к валу двигателя при его запуске.

Применение зубчатых передач обусловлено их надежностью; высо­ким КПД, доходящим в одном зацеплении до 0,99; малыми габаритами при больших передаваемых мощностях; постоянным передаточным от­ношением (отсутствием проскальзывания); высоким ресурсом работы и возможностью использования как при малых, так и при сверхвысоких частотах вращения. Это выгодно отличает их от других видов передач (гидравлических, ременных, фрикционных, с гибкой связью и т.д.). Зуб­чатые передачи применяются для передачи вращательного движения и для его преобразования в поступательное, возвратно-поступательное, возвратно-вращательное и другие движения.

Недостатками зубчатых передач являются шум при работе и слож­ность изготовления.

К зубчатым передачам, часто работающим в весьма напряженных ус­ловиях, предъявляются высокие требования по эксплуатации. Они долж­ны обеспечивать необходимую прочность, сопротивляемость изнашива­нию, плавность и бесшумность работы и т.д. Эти требования удовлетво­ряются за счет правильного выбора материала и режимов термической или химико-термической обработки, получением точной геометрической формы и низкой шероховатости профиля зуба.

Основные типы зубчатых передач приведены на рис. 6.1. Цилиндри­ческие зубчатые колеса производят передачу вращательного движения между параллельными валами. При этом используются колеса с прямыми (а), косыми (б) и шевронными (в) зубьями.

Рис. 6.1. Типы зубчатых передач:

а - цилиндрическая с прямыми зубьями; б - цилиндрическая с косыми зубьями; в - цилиндрическая с шевронными зубьями; г - коническая с прямыми зубьями; д - коническая с косыми зубьями; е - коническая с винтовыми зубьями; ж - червячная с цилиндрическим червяком; з - червячная с глобоидным червяком; и - передача с Цилиндрическими колесами внутреннего зацепления; к - с винтовыми зубьями

Для передачи движения между валами с пересекающимися осями применяют конические зубчатые колеса с прямыми (г), косыми (д) и вин­товыми (е) зубьями, со скрещивающимися осями - червячные передачи с цилиндрическими (ж) и глобоидными (з) червяками, а также винтовые передачи (к).

Сложность зубчатых механизмов, используемых в ГТД, иллюстриру­ется рис. 6.2, на котором представлена кинематическая схема трансмис­сий и коробки агрегатов двигателя АЛ-31Ф.

При создании зубчатых механизмов ГТД решают двуединую задачу получения конструкции, отвечающей максимальным требованиям по работоспособности и надежности и в то же время имеющей минимально возможный вес при достаточной технологичности изготовления.

Наиболее широко в авиационной технике используют прямозубые цилиндрические передачи. Косозубые передачи применяются реже из-за наличия осевых сил, дополнительно нагружающих подшипники. По этим же причинам не применяется и зацепление Новикова.

Конические зубчатые передачи (прямозубые и с круговыми зубьями) позволяют располагать оси вращения под разными углами (см. рис. 6.2, поз. 19, 20 и др.).

Внутреннее зацепление применяется в основном в многопоточных передачах (планетарных, дифференциальных), редукторах ТВД, что по­зволяет уменьшить габариты последних разделением передаваемой мощ­ности на несколько потоков.

Главными особенностями авиационных зубчатых передач являются их высокая нагруженность при ажурности конструкции, высокие требо­вания по точности изготовления и состоянию рабочих поверхностей.

Подробно геометрия зубьев и особенности их зацепления изучаются в курсах теории машин и механизмов. Мы же рассмотрим особенности геометрии, связанные со спецификой работы и изготовления авиацион­ных зубчатых передач.

Как известно, профили зубьев в современных зубчатых передачах вы­полняются по эвольвенте, главное свойство которой, определившее ее исключительное применение, - возможность обработки зубьев инстру­ментом с прямолинейными образующими.

Исходным контуром в эвольвентном зацеплении называют контур рейки, определяющей пропорции зубьев, их размеры и форму при задан­ном радиальном положении зубчатого колеса.

Исходный производящий контур - это контур, являющийся дополни­тельным к исходному. Огибая этим контуром заготовку, формируют зуб­чатый венец. В общем случае это контур реечного инструмента (червяч­ной фрезы, шлифовального круга и др.). На рис. 6.3 показан стандарт­ный исходный контур для общего машиностроения (ГОСТ 13755-81).

Рис. 6.3. Исходный контур по ГОСТ 13755-81

Производящий реечный контур - контур инструмента, в технологиче­ском отношении отличающийся от исходного. Например, на рис. 6.4 показан производящий рееч­ный контур с протуберанцем.

Рис. 6.4. Зуб фрезы с протуберанцем

В авиационной промыш­ленности действует свой от­раслевой стандарт, устанавли­вающий параметры исходного производящего реечного кон­тура, показанные на рис. 6.5 и в табл. 6.1. Они отличаются от государственных стандар­тов увеличенными углами профиля и полностью скруг­ленной впадиной, что обу­словливает повышенную несущую способность зубчатых передач.

Рис. 6.5. Исходный производящий контур по ОСТ 100219-76

Таблица 6.1