Прогрессивные технологии обработки деталей газотурбинных двигателей


В. Ю. Ерошков










ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ



Учебник

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2022

УДК 621.8
ББК 34.4
      Е76



Рецензенты:
заведующий кафедрой автоматизации технологических процессов Уфимского государственного авиационного технического университета доктор технических наук, профессор Р. А. Мунасыпов; начальник лабораторно-производственного корпуса ПАО «ОДК-Сатурн» кандидат технических наук А. М. Сасарин




        Ерошков, В. Ю.

Е76 Прогрессивные технологии обработки деталей газотурбинных двигателей : учебник / В. Ю. Ерошков. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 200 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0806-6

      Изложены обзорные аналитические материалы по использованию прогрессивных технологий и оборудования для обработки деталей газотурбинных двигателей в реальном производстве. Рассмотрены технологии получения нанокомпозитных покрытий для деталей турбин и камер сгорания, технологические процессы формообразования деталей из листового материала.
      Для студентов машиностроительных специальностей всех уровней подготовки высших учебных заведений. Может быть полезно аспирантам и работникам предприятий энергомашиностроения.

УДК 621.8
ББК 34.4










ISBN 978-5-9729-0806-6  © Ерошков В. Ю., 2022
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        Оглавление


ОТ АВТОРА..............................................................5
1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВАЛОВ..................................................9
  1.1. Конструкция, технические условия и материалы валов ГТД..........9
  1.2. Общие требования к построению технологических процессов.........9
  1.3. Выполнение основных операции обработки валов...................15
  1.4. Контроль валов ГТД.............................................22
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДИСКОВ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН..........................23
  2.1. Конструкция, технические условия и материалы...................23
  2.2. Построение технологического процесса обработки дисков ГТД......23
  2.3. Выполнение основных операций обработки дисков ГТД..............27
  2.4. Контроль дисков ГТД...........................................33
3. ОБРАБОТКА ЛОПАТОК ГТД.............................................35
  3.1. Конструкция, технические условия и материалы лопаток ГТД.......35
  3.2. Построение технологического процесса обработки компрессорных лопаток ГТД..........................................36
  3.3. Изготовление лопаток турбин ГТД...............................42
  3.4. Выполнение основных операций обработки лопаток осевых компрессоров.......................................................45
  3.5. Повышение ресурса и надёжности работы лопаток технологическими методами..........................................61
  3.6. Прогрессивные технологии электрохимической обработка лопаток ГТД..............................................68
  3.7. Выполнение основных операций обработки лопатки турбины и секторов СА..............................................75
  3.8. Технологии получения нанокомпозитных покрытий для деталей турбин и камер сгорания ГТД.............................84
  3.9. Контроль лопаток ГТД...........................................90
4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОНОКОЛЕС.............................................94
  4.1. Конструкция, технические условия и материалы...................94
  4.2. Построение технологического процесса обработки моноколес ГТД.......................................................96
  4.3. Выполнение основных операций обработки моноколес ГТД...........99
  4.4. Контроль моноколес ГТД........................................106
5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС.......................................108
  5.1. Конструкция, технические условия и материалы..................108
  5.2. Построение технологического процесса обработки зубчатых колес.109
  5.3. Выполнение основных операций обработки зубчатых колес.........113
  5.4. Отделочные операции обработки зубчатых колес..................118
  5.5. Контроль зубчатых колес.......................................122

3

6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОЛЬЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ, ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА........................................................124
  6.1. Конструкция, материалы для изготовления кольцевых деталей.124
  6.2. Заготовки для изготовления кольцевых деталей..............124
  6.3. Механическая обработка кольцевых заготовок................130
  6.4. Конструкция, технические условия и материалы изготовления деталей из листового материала....................................131
  6.5. Построение технологических процессов изготовления деталей из листового материала....................................132
  6.6. Выполнение основных операций изготовления деталей из листового материала....................................133
  6.7. Технологические процессы формообразования деталей из листового материала....................................135
  6.8. Механическая обработка деталей из листовых материалов.....143
  6.9. Соединение деталей из листовых материалов....................144
  6.10. Контроль кольцевых деталей и деталей из листовых материалов.144
7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОРПУСНЫХДЕТАЛЕЙ....................................146
  7.1. Конструкция, технические условия и материалы для изготовления корпусных деталей..............................................146
  7.2. Построение технологического процесса обработки корпусных деталей..............................................147
  7.3. Выполнение основных операций обработки корпусных деталей..149
  7.4. Контроль корпусных деталей................................153
8. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК ГТД...........................154
  8.1. Конструкция, технические условия и материалы для изготовления топливных форсунок ГТД............................154
  8.2. Построение технологического процесса обработки топливной форсунки.............................................155
  8.3. Выполнение основных операций обработки топливных форсунок.157
  8.4. Контроль топливных форсунок ГТД...........................159
9. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ И САМОПРОВЕРКИ...................................................161
ОТВЕТЫ НА ТЕСТЫ..................................................195
ЛИТЕРАТУРА.......................................................196

4

        ОТ АВТОРА


     Любая технология начинается с чертежа детали или сборочной единицы, при этом технические требования в чертеже в большинстве случаев согласует технолог, т. е. конструкция определяет технологию, а технология, а именно реальные условия производства, в свою очередь, корректируют конструкцию. По меньшей мере, это касается части технических требований на поле чертежа. Особенно эта связь важна в условиях производства точных деталей, технология изготовления которых находится на грани технологических возможностей предприятия. Так, надёжность, ресурс работы и экономичность газотурбинного двигателя во многом определяются качеством изготовления его деталей. Высокая точность при малой жесткости деталей, повышенные требования к качеству поверхности и физико-механическим свойствам материала, использование жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов обуславливает применение прогрессивных методов получения заготовок деталей и их последующей обработки.
     Для обеспечения требуемой точности обработки при проектировании технологических процессов особое внимание уделяют выбору технологических баз. Технологические базы определяют весь маршрут изготовления или сборки. С этой же целью поверхности деталей обрабатывают за несколько этапов. Выбирая методы обработки, в особенности на финишных операциях, учитывают возможность появления наклёпа и остаточных напряжений, которые заметно влияют на эксплуатационные характеристики деталей.
     Сейчас существует оборудование, которое позволяет обрабатывать практически все поверхности детали за один установ, в интернете много подобных рекламных «чудо-презентаций». В этом же направлении работают и аддитивные технологии, в частности ЗО-принтеры, хотя эти технологии следует рассматривать отдельно, это новая большая сфера исследования. Несмотря на успехи в области производства современного оборудования, рекомендуем обратить внимание читателей на то, что деталь, - это не набор геометрических

5

поверхностей, особенно в авиадвигателестроении, где эксплуатационные свойства деталей формируются на нескольких этапах с применением различных методов физического, химического и даже электронного воздействия, как на поверхности, так и на всю структуру материала детали в целом (или группы материалов, например для деталей с покрытием).
      Для деталей газотурбинного двигателя характерна тщательная обработка даже несопрягаемых поверхностей, широкое применение различных методов упрочняющих технологий, а также нанесения или синтеза покрытий и химической обработка. Почти все детали газотурбинного двигателя подвергаются термической или термохимической обработке, что значительно усложняет технологические процессы их изготовления, увеличивает цикла их изготовления вследствие необходимости введения дополнительных операций и увеличения технологического маршрута.
      Большое количество деталей газотурбинных двигателей изготавливают из листовых материалов. В связи с этим широкое применение в производстве находят процессы обработки давлением, сварки и пайки, плазменной резки. И данные технологии также активно развиваются.
      Кроме того, производство авиадвигателей отличается также особой тщательностью контроля. Все ответственные детали и узлы подвергаются стопроцентному контролю с использованием автоматизированных средств и неразрушающим методов контроля. Это целое направление развития новых технологий.
      Вообще, можно много времени уделить сравнению технологий в разных отраслях, а также особенности обработки деталей именно в авиационном дви-гателестроении, но поскольку данное издание посвящено, прежде всего, практикам - специалистам, инженерам, работающим над конкретными проблемными вопросами в производстве, то оставим более подробные теоретические рассуждения для других публикаций. Следует понимать, что технологии из одной отрасли, из сферы производства конкретных деталей, легко могут быть транс

6

лированы в другие, для этого создаются специальные корпоративные центры компетенций.
      Далее будут рассмотрены наиболее прогрессивные на наш взгляд серийные технологии, используемые ведущими предприятиями РФ, работающими не только в авиадвигателестроении, но и вообще в сфере энергетического машиностроения. Под «прогрессивностью» в данном случае понимается не столько современность описываемого в данной книге оборудования (за описанием новых моделей станков не угнаться, пока создавалась данная книга, вышли десятки новых моделей оборудования), сколько «жизнеспособностью» самих технологий, заложенных в их основу, их возможностью «реинкарнации» в новом оборудовании. Это касается, прежде всего, выбора технологических баз, последовательности обработки поверхностей и рекомендаций по выбору оборудования.
      Учитывая реалии современной жизни, в том числе и в сфере дистанционного образования, самоподготовки, автор счел необходимым дополнить книгу разделом тестовых заданий для самопроверки и проверки знаний. При этом прошу учесть, что предлагаемые тесты не являются догмой и не всегда могут содержать однозначные ответы, так как выбор ответа в большей части зависит от специфики производства деталей конкретного изделия. Преподавателям, их используемым, рекомендуется «переработать» их под свои лекционные материалы. Не на все предлагаемые в тестах вопросы можно найти ответы в данной книге, для этого есть специальная литература, тем не менее, многие из вопросов являются неким дополнением, «реперными точками» разделов предлагаемой книги.
      Студенты часто любят задавать вопрос: следует ли вообще уделять столько внимания традиционным «механическим» технологиям в эпоху бурного развития электроники, нанотехнологий... Ответ достаточно прост: эти же вопросы много лет задавали и мы, нынешние преподаватели своим учителям, а они - своим. Вопросы вопросами, а технологии металлообработки, конечно,

7

развиваясь и модернизируясь, как были, так и есть, работают и будут работать еще долгое время.
      Основная цель автора - заинтересовать читателя, привлечь его к развернутой, можно сказать не имеющей границ, теме обработке деталей газотурбинных двигателей и обратить внимание на возможность транслирования рассматриваемых технологий в свои области знаний.

8

        1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВАЛОВ

        1.1. Конструкция, технические условия и материалы валов ГТД

     Ответственные валы авиационных двигателей работают с большими нагрузками при высоких числах оборотов. Необходимость уменьшения веса двигателей приводит к усложнению формы валов, заставляет делать их пустотелыми. Наиболее сложны в изготовлении валы турбин, компрессоров, редукторов. Внешние поверхности этих валов представляют собой различные комбинации гладких шеек шлицев, резьбы, зубчатых колёс, фланцев и т. п.
     Форма осевых отверстий валов задаётся из условий равнопрочности и поэтому представляет собой обычно сочетание цилиндрических, конических, сферических поверхностей.
     Материалом для валов авиационных двигателей служат высококачественные легированные стали и жаропрочные сплавы. Рабочие поверхности валов из сталей 18ХНЗА, 12ХНЗА и других часто цементируют на глубину 0,7—1,2 мм и после закалки и отпуска получают твёрдость цементированных поверхностей HRC > 58. Валы из азотируемых сталей, например, из 38ХМЮА, иногда азотируют. Глубина азотированного слоя колеблется в пределах от 0,6 до 0,9 мм, а твёрдость HRC 65. Термически улучшаемые валы (подвергаемые закалке и отпуску), например, из стали 40ХНМА должны иметь твёрдость HRC 38—42. Дефекты поверхностного слоя (трещины, задиры, риски и прижоги) на ответственных валах не допускаются. Однако иногда пределы допустимости таких дефектов оговариваются в технических условиях.

        1.2. Общие требования к построению технологических процессов

     Заготовки валов, как правило, получают штамповкой, поперечным прокатом, а при больших масштабах производства — ротационным обжатием. Штампуют заготовки на прессах или горизонтально-ковочных машинах (рис. 1).

9

Рис. 1. Заготовки: а - вала турбины; б - вала редуктора;
1 - прибыль для изготовления образцов

     Заготовки ответственных валов принимают по первой группе контроля качества материала. В этих случаях заготовку делают более длинной, за счёт этого от заготовки отрезают часть материала, из которой изготавливают образцы для механических испытаний. Изготовленные образцы проходят вместе с заготовкой все предусмотренные технологическим процессом операции термообработки, затем подвергаются механическим испытаниям, и таким образом получают механические характеристики материала конкретной заготовки.
     Для менее ответственных деталей существуют вторая и третья группы контроля качества материала. Вторая группа предусматривает изготовление образцов - представителей от группы деталей, изготавливаемых из материала, полученного из одной плавки, а третья группа контроля предусматривает контроль твердости каждой заготовки.
     В механический цех заготовки поступают в нормализованном состоянии с твёрдостью НВ 190-270, с них должна быть удалена окалина и зачищены наружные дефекты, если глубина их залегания не превышает половины припуска на обработку.
     Механическая обработка валов обычно разделяется на три этапа: черновую (обдирку), чистовую и окончательную обработку.
     На черновом этапе достигается выравнивание припусков под последующую чистовую обработку, и удаляются поверхностные дефекты. Обработка ве

10

дётся на мощных и жёстких станках при максимально возможных режимах резания.
     При чистовой обработке снимаются значительно меньшие припуски и режимы обработки здесь менее напряжённые, во избежание деформаций как всего вала, так и поверхностных слоев. Основная цель этого этапа - получить вал с малыми припусками на окончательную обработку, исправить погрешности после чернового этапа и коробления после термической обработки. На этом этапе применяют многорезцовые токарные станки, а также станки с ЧПУ.
     На окончательном этапе обработки получают заданные точность и шероховатость поверхностей. Наибольшее применение на этом этапе находят высокоточные токарные станки с ЧПУ и шлифовальные станки, а также различные методы отделки (полирование, хонингование, суперфиниширование) и упрочнения (обкатка роликами, обдувка дробью) поверхностей. На этом же этапе обычно обрабатывают резьбы, мелкие шлицы и другие элементы, которые могут быть повреждены, если их обработать раньше.
     При построении процессов обработки валов обычно придерживаются такой последовательности, чтобы на последних этапах внутренние поверхности обрабатывались ранее наружных. Это обусловлено тем, что концентричность наружных и внутренних поверхностей проще обеспечить, если вначале обработать внутренние поверхности, а затем использовать их в качестве баз для обработки наружных.
     Большое внимание при проектировании технологических процессов следует уделять выбору места термической обработки. Термоулучшаемые валы можно подвергать закалке и отпуску как до, так и после первого этапа механической обработки. В первом случае отпадает необходимость в транспортировке валов из механического цеха в термический и обратно, и тем самым сокращается длительность цикла обработки. Однако, при наличии на заготовке больших припусков на обработку, возникает опасность непрокаливания валов. Такие валы вначале приходится подвергать черновой обработке, а затем термообраба-тывать.

11

     Для валов, имеющих цементируемые поверхности, место термообработки в технологическом процессе определяется главным образом способом защиты нецементируемых поверхностей.
     В машиностроении применяют три способа защиты:
     1. Меднение нецементируемых поверхностей перед цементацией и закалкой.
     2. Увеличение на нецементируемых поверхностях припуска, который снимают после цементации, но перед закалкой.
     3. Комбинация первого и второго способов, заключающаяся в меднении поверхностей с увеличенным припуском, который снимают после закалки детали.
     При решении вопроса о выборе способа защиты от цементации руководствуются следующими соображениями.
     Если допускается местное повышение твёрдости на нецементируемых поверхностях, то применяют первый способ. Если при дальнейшей обработке нецементируемых поверхностей металлическим режущим инструментом приходится проходить участки цементированных поверхностей, то применяют второй способ. И, наконец, если повышение твёрдости нецементируемых поверхностей недопустимо (места, где после закалки должны сверлиться мелкие отверстия, нарезаться резьбы, шлицы и т. п.), то применяют третий способ.
     При применении первого и последнего способов защиты меднение, цементацию, закалку и отпуск проводят перед чистовой обработкой, но после того, как цементируемые поверхности подготовлены под окончательную механическую обработку. Часто валы покрывают слоем меди целиком, а затем с цементируемых поверхностей медь удаляют шлифованием, совмещая, таким образом, шлифование поверхностей после цементации с удалением меди. Такая последовательность обработки упрощает выполнение операции меднения, так как отпадает необходимость защиты цементируемых поверхностей от омеднения.

12