Демин Ф.И., Проничев Н.Д., Шитарев И.Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей - файл n2.doc

приобрести
Демин Ф.И., Проничев Н.Д., Шитарев И.Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей
скачать (9727.7 kb.)
Доступные файлы (2):
n2.doc5758kb.08.12.2009 19:05скачать
n3.doc6484kb.08.12.2009 19:32скачать

n2.doc

  1   2   3   4   5

УДК 621.45.0.002.2(0.75.8) ББК 39.55 ДЗО




Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л.

ДЗО Технология изготовления основных деталей газотурбинных дви­гателей: Учеб. пособие. - М.: Машиностроение. 2002. - 328 с; ил.

Рассмотрены конструктивные особенности современных газотурбинных двигателей, технические требования, применяемые материалы, способы по­строения технологических процессов, применяемое оборудование и оснаст­ка. Приведен анализ точности основных качественных показателей исход­ных заготовок, деталей и применяемых средств производства.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направле­нию подготовки бакалавров и магистров по авиа- и ракетостроению, а также для дипломированных специалистов по двигателям летательных аппаратов.

621.45.0.002.

2(0.75.8) ББК 39.55

ISBN 5-217-03119-0

© Ф. Й. Демин, Н. Д. Проничев,

И. Л. Шитарев, 2002 © Издательство "Машиностроение",

loo:

U: 2002 ,.;.jv1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ….6

Введение ... . 7

Глава 1. Особенности современных ГТД как объектов про-

изводства …………………………………………8

1.1. Основные элементы и параметры ГТД ……. 8

1.2. Особенности и пути совершенствования ГТД 11

  1. Технологичность ГТД и его элементов 22

  1. Направления совершенствования технологических процессов производства деталей и сборочных единиц… 23

Глава2. Обеспечение показателей качества изделий при изго­
товлении 26

2.1.Методы достижения заданной точности показате­
лей качества деталей и сборочных единиц 26

2.2.Технологические условия, необходимые при ис-
пользовании метода автоматического получения

параметров заготовок на настроенном оборудовании 28

2.3.Структурно-логическая схема обеспечения пока­
зателей качества изделий 34

2.4. Формирование принципиального плана техноло­
гического процесса изготовления деталей 39

ГлаваЗ. Изготовление лопаток 46

3.1. Конструкция, технические требования и материалы 46

3.1.1. Замки лопаток 46

3.1.2. Перо лопаток.... 51

3.1.3. Бандажные полки .. 53

3.1.4. Материал лопаток 55

3.2. Технология изготовления лопаток первой ступени

турбин 58

3.2.1. Технологический анализ чертежа детали 58

3.2.2. Маршрутная технология изготовления лопа-

токтурбины 60

3.2.3. Получение исходной многокристаллической

заготовки 64

3.2.4. Анализ качественных показателей исходной

заготовки лопатки 76

3.2.5. Механическая обработка заготовок 87

3.2.6. Создание термостойкого покрытия на рабо-

чей поверхности пера лопатки 102

3.3. Технология изготовления лопаток первой ступени
компрессора 108

3.3.1. Технологический анализ чертежа детали,

назначение, условия работы и материалы 108

3.3.2. Маршрутная технология изготовления лопаток 112

3.3.3. Механическая обработка заготовок 113

3.3.4. Анализ качественных показателей заготовки

после выполнения первой части технологи­
ческого процесса 122

Глава 4. Изготовление дисков 139

4.1. Конструкция, технические требования и материалы 139
4.2. Технология изготовления дисков первой ступени

турбины 146

4.2.1. Маршрутная технология изготовления дисков 147

4.2.2. Получение исходной заготовки диска 147

4.2.3. Механическая обработка дисков 150

Глава 5. Изготовление валов 175

5.1. Конструкция, технические требования и материалы 175

5.2. Технология изготовления валов 182

5.2.1. Маршрутная технология изготовления валов 187

5.2.2. Получение исходной заготовки вала ротора

низкого давления 188

5.2.3. Механическая обработка вала ротора низкого

давления 189

Особенности изготовления валов из низкоуглеро-

дистых легированных сталей 205

Глава 6. Изготовление корпусных деталей 214

6.1. Конструкция, технические требования и материалы 214
6.2. Технология изготовления корпусных деталей 224

6.2.1.Получение исходных заготовок методом литья 224

6.2.2.Получение исходной заготовки корпуса входного направляющего аппарата (ВНА)... 231

6.2.3. Маршрутная технология изготовления кор-

пусаВНА 238

6.2.4.Механическая обработка корпуса ВНА 241

Глава 7. Изготовление зубчатых колес ГТД 253

7.1. Конструкция, технические требования и материалы 253
7.2. Технология изготовления зубчатых колес 257

7.2.1. Общие принципы построения технологических процессов……………………………………………. 257

7.2.2. Проектирование технологического процесса…… 260

7.2.3. Анализ качественных показателей зубчатого

Колеса…………….. 267

7.2.4. Изготовление цилиндрических колес с внут-
ренними зубьями 271

7.2.5. Особенности обработки базовых поверхностей

зубчатых колес после термической обработки 273

Глава 8. Композиционные материалы 277

8.1. Виды, свойства и особенности получения компо-

зиционных материалов 277

8.2. Полимерные композиционные материалы 282

8.3. Металлические армированные композиционные

материалы 294

8.4. Керамические и углеродные композиционные

материалы 304

8.5.Проектирование технологического процесса изго­
товления лопаток из полимерных композицион-

ных материалов .. 309

8.5.1. Требования к конструкции лопаток из поли-

мерных композиционных материалов 309

8.5.2. Особенности конструкций технологической

оснастки ..312

8.5.3. Технологический процесс изготовления лопаток из ПКМ .314

Список литературы...............................................................................319

Приложения .322





Глава 1

ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ГТД КАК ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВА

1.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПАРАМЕТРЫ ГТД

Газотурбинные двигатели широко используются в авиации. Их можно разделить на следующие группы: турбореактивные (ТРД), турбо­винтовые (ТВД) и промежуточные турбореактивные двухконтурные дви­гатели (ДТРД).

В настоящее время ТРД имеют вполне установившиеся элементы (см. рис. 1.1):

  1. входное устройство;

  2. компрессор;

  3. камеру сгорания;

  4. силовой корпус, связывающий турбину и компрессор;

  5. турбину;

  6. систему выхлопа;

  7. корпус приводов агрегатов;

  8. топливную, масляную и другие системы и агрегаты.

В ТРД и ТВД применяют исключительно осевые компрессоры вследствие того, что они позволяют получить большую степень повыше­ния давления при более высоком КПД, малую массу и малые поперечные габаритные размеры. Компрессор, камеру сгорания, турбину и реактив­ное сопло в ГТД располагают так, чтобы получить промежуточный тракт, при котором имеют место малые гидравлические потери. Газовые турби­ны для двигателей большой тяги применяются исключительно осевого типа.

Для форсирования ТРД широко используют форсажные камеры, расположенные за турбиной. Схема турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой, показанная на рис. 1.1, является наибо­лее характерной для современных ДТРД.

К основным параметрам, характеризующим качественные техни­ческие показатели и степень совершенства ГТД, относятся: тяга; удель­ная масса двигателя; габаритные размеры; удельный расход топлива; ре­сурс и др.



ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПАРАМЕТРЫ ГТД


Рис 1.1. Схема турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой
Сравнительная оценка двигателей с различной тягой определяется их удельной массой, под которой понимается отношение массы двигате­ля к его номинальной тяге R (даН). Этот показатель в процессе развития конструкции и технологии производства двигателей постоянно снижает­ся. Так, для первых ТРД с осевым компрессором этот показатель состав­лял 1,1, а для современных конструкций 0,05. Малая удельная масса яв­ляется важнейшим требованием для авиационных двигателей.

Габаритные размеры двигателя характеризуются площадью миде­ля F и длиной L. Наибольшее значение имеет площадь миделя F, так как она определяет лобовое сопротивление самолета. В ходе развития ГТД величина, обратная удельной лобовой площади (1/fлоб = RIF, где fлоб -площадь поперечного сечения двигателя), существенно увеличилась: в начале развития ГТД она составляла 2000 ... 2500 даН/м2 для ТРД, в на­стоящее время она повысилась до 12 000 даН/м2 и более.

Удельный расход топлива Cе / R, определяемый для ТРД отношени­ем расхода топлива Се, в кг, к тяге R, в даН за1ч, постоянно уменьшается. Так, для стендовых испытаний он на первых ГТД составлял 1,3 ... 1,5 кг/(даН*ч), в настоящее время для ТРД он равен 0,7 кг/(даН*ч) и ме­нее, а для ДТРД менее 0,5 кг/(даН • ч). Этот показатель важен для совре­менных ГТД.

Удельный расход топлива зависит от конструкции ГТД и (в большой степени) от качества исполнения деталей и сборочных единиц. Увеличе­ние относительного радиального зазора (отношение радиального зазора к длине лопатки) на 1 % приводит к уменьшению КПД компрессора до 3 %, что вызывает увеличение расхода топлива до 10 % [1].

Это объясняется тем, что при больших зазорах возрастает перетека­ние воздуха из полости с большим давлением в полость с меньшим дав­лением и уменьшается напор компрессора. В то же время увеличенные прогибы ротора и статора за счет неуравновешенных сил и моментов как по величине, так и по направлению, а также температурные деформации обусловливают необходимость увеличения радиальных зазоров, что при­водит к ухудшению КПД компрессора и турбины и снижению диапазона устойчивости работы компрессора. Так, увеличение радиального зазора на 1 % сужает диапазон устойчивости на 12 ... 14 %. Увеличение разме­ров стенок и диаметров валов при этом часто не дает преимущества по массе конструктивной схемы ГТД с малым числом опор. Это условие определяет важность выбора количества опор в ГТД. По мере развития двигателестроения непрерывно возрастает ресурс работы ГТД. Если в начале развития ТРД его ресурс был 15 ... 25 ч, то в настоящий момент он значительно вырос. Необходимо отметить, что ресурс зависит от на-нтчения изделия (гражданский или военный варианты, многоразовое или одноразовое использование и др.). При освоении ГТД в серийном производстве ресурс двигателя изменился от 50 ч до 5 ... 10 тыс. ч и более; у конверсируемых изделий семейства НК он составляет не менее 50 тыс. ч.

Изменение качественных показателей ГТД во времени зависит от конструкторского и (в большей степени) от технологического совершен­ствования процессов производства деталей и сборочных единиц.

Кроме перечисленных основных качественных показателей изделий на передний план могут выдвигаться и другие качественные характери­стики ГТД, например: удобство обслуживания и ремонта двигателя в процессе эксплуатации; модульность конструкции двигателя, стабиль­ность качественных характеристик во времени при эксплуатации в раз­личных климатических условиях и т.д.

1.2. ОСОБЕННОСТИ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГТД

Авиационные двигатели работают в тяжелых условиях при эксплуата­ции в различных климатических зонах. Требования к надежности изделий постоянно растут. Показатели качества двигателей увеличиваются. Возрас­тают затраты на изготовление отдельных деталей и сборочных единиц. Эти условия определяют следующие пути совершенствования ГТД.

1. Применение облегченной, ажурной, сложной конструкции де­талей и сборочных единиц ГТД (см. рис. 1.1). Корпусные детали имеют тонкостенную конструкцию с различными выемками, облегчениями, ребрами жесткости, фасонными поверхностями рабочих контуров и т.д.

Промежуточные кольца корпусов компрессора и турбины имеют значительные диаметры при малой толщине стенки.

Рабочий тракт компрессора и турбины выполняется с минимальным отклонением профиля от номинального положения.

Лопатки роторов компрессора и турбины, а также спрямляющие и сопловые лопатки имеют сложную пространственную форму с малыми размерами по толщине профиля и высокоточными элементами замковой части.

Диски роторов компрессора и турбины имеют облегченную конст­рукцию (толщина полотна диска компрессора равна 3 ... 5 мм) с усилен­ными ступицей и бандажным венцом.

Валы ГТД имеют значительную протяженность при относительно малых диаметрах и толщине стенки. На них располагается множество рабочих поверхностей в виде шлицевых, резьбовых, шпоночных, а ино­гда и зубчатых элементов.

Камеры сгорания имеют сложную пространственную форму, вы­полнены из тонколистового материала, обеспечивающего значительные перепады температур и сил при эксплуатации ГТД.

2. Совершенствование газотурбинного тракта ГТД и оптимиза­ция температурной напряженности элементов конструкции, направ­ленные на повышение КПД турбины и компрессора.

Газодинамическое совершенствование тракта является одним из ос­новных путей улучшения качественных показателей ГТД. Даже незначи­тельное его улучшение приводит к существенному сбережению энерго­ресурсов.

Высокотемпературные турбины современных и перспективных ГТД отличают все более интенсивное охлаждение первых ступеней, относи­тельно малые длины их лопаток и высокая газодинамическая нагружен-ность, приводящая к возникновению сверхзвуковых скоростей и больших углов поворота потока на венцах [3].

Вследствие высокой степени расширения проточная часть турбины получается со значительным меридианным раскрытием и сильным изме­нением параметров радиуса в последних ступенях. Исследования по по­вышению качественных показателей турбин и совершенствование мето­дов проектирования газодинамического тракта позволили получить у авиационных ГТД четвертого поколения высокий КПД. Для одноступен­чатых турбин компрессора КПД составляет 0,88 ... 089. Для двухступен­чатых турбин компрессора и многоступенчатых турбин вентилятора 0,91 ... 0,915. При испытании газогенератора турбовинтового воздушного двигателя ТВВД серии НК-93 установлено, что на первой ступени турби­ны достигнут КПД в диапазоне 0,91 ... 0,92.

Совершенствование тракта ГТД привело к изменению геометриче­ской формы профилей лопаток роторной и статорной части, например: в ТРД и ТВД и силовых установках семейства НК (86, 144, 321, 93, 14, 16 и т.д.) использованы профили знакопеременной кривой на корыте или разнотолщинные лопатки, на которых произведена оптимизация углов входа в решетку; в ТРД использованы ступени с наклонными и саблевид­ными обратно закрученными по углу входа сопловыми лопатками; использован вдув охладителя на корыто вблизи входной кромки и создано противодавление при выдуве.

3. Применение современных материалов (алюминиевых, магние­вых, титановых, хромоникилевых жаропрочных сплавов, различных ком­позиционных материалов) и жаростойких керамических покрытий.

Выбор материала определяется температурой нагрева и силовым воздействием на детали двигателя при эксплуатации. При температуре менее 200 °С используются магниевые сплавы, при температуре около 250 °С - листовой дуралюмин, при температуре до 500 °С - коррозионно-стойкая сталь, а при температуре выше 1000 °С - жаропрочные хромони-кслевые сплавы. Так, лопатки входного направляющего аппарата ком­прессора низкого давления и лопатки ротора низкого давления изготов­ляются из низколегированных теплоустойчивых сталей Х12Н9, X15Н5Д2Т и титановых сплавов, а лопатки статора и ротора компрессора высокого давления - из хромистых теплоустойчивых легированных ста­лей, а также из жаростойких сталей и сплавов на никель-хромовой основе (нихромы). Введение алюминия (до 3,5 %) существенно повышает жаро­стойкость, жаропрочность (особенно в интервале температур 700 ... 800 °С) и технологичность сплавов. Лопатки сопловых аппаратов турбин из­готовляют из жаропрочных высоколегированных сплавов. В качестве легирующих элементов используют титан, молибден, ниобий в неболь­ших количествах, а также вольфрам. Вольфрам повышает жаропрочность сплавов и почти не ухудшает жаростойкость.

В табл. 1.1 представлен примерный перечень основных материалов, применяемых для деталей, работающих в различных зонах двигателя, и их термические операции обработки.

Повышение эксплуатационных требований к деталям ГТД вызвало появление новых жаростойких и жаропрочных материалов. Так, для из­готовления охлаждаемых лопаток турбины с внутренней полостью ис­пользуется технология литья по выплавляемым моделям со сплавами на основе никеля (ЖС6КВИ, ЖСбуВИ, ЖСФВИ, ЖС-30, ЖС-30ВИ, ЖС-40, ВЖЛ-12Э и др.), которые имеют хорошие механические свойства (ов = 850 Па/мм, относительное удлинение 5 = 3 ... 5 %, относительное сужение ц/ = 4 ... 7 %) и длительную прочность при температуре 975 °С и нагрузке 200 Н в течение 22 ... 40 ч. Эти материалы обеспечивают тех­нологию изготовления бесприпусковых лопаток.
1.1. Материалы, применяемые для изготовления элементов ГТД

Основные сборочные единицы ГТД

Основные элементы сборочных единиц

Используемые материалы

Термическая обработка

Способ получения исходных заготовок и конструкций

Входной направляющий аппарат (ВНА)


Наружная оболочка

38ХА, 38Х2МЮА

3 + 0, ОН, ОВ

ХШ

Корпус ВНА

АМЦ,Д16

ОТЖ, 3 + СТ

Л. Ш

Компрессор низкого давления (КНД)


Наружная оболочка

38Х2МЮА, 13ХЗН13М2Ф

3 + 0, ОН

ХШ, Св, СбК

Корпус компрессора

30X13 15Х16Н2АМ 30ХГСА 13Х11Н2В2МФ

ОТЖ, 3 + 0 Н + ОВ 3 + 0 ОТЖ, 3 + 0

Р ХШ, Св, СбК

Статорные лопатки

1Х12Н9.Х15Н5Д2Т, ВТ-20, ВТ-9

Н + ОВ. Н + 0 ОТЖ

ВАЛ ИЗШ, ТОШ, ВСШ

Роторные лопатки

ВТ-9 ВТ-20 ЭП-517, ЭП-718ИД

ОТЖ ОТЖ 3 + 0

ИЗШ. ОШ ИЗШ, ВСШ Ш, ВАЛ

Диски

ВТ-9 ВТ-20

ОТЖ ОТЖ

Ш Ш

Лабиринтные уплот­нения

18ХНВА, 40ХНМА 13ХН14ВФРА Х24Н25Т

н + ов

3 + 0 3 + 0

ш ш ш

Корпус средней опоры (КСО)

АЛ-4, АВТ1

3 + С

л

Компрессор высокого давления (КНД)


Наружная оболочка

38Х2МЮА 13ХЗН13М2Ф 15Х16Н2АМ

3 + 0, ОН ХТО 3 + 0

ХШ, Св, СбК

Корпус компрессора

15Х16Н2АМ ЗОХГСА 13Х11Н2В2МФ Х15Н5Д2Т

Н+ОВ 3 + 0 3 + 0 3 + 0

Р ХШ, Св, СбК

Статорные лопатки

1Х17Н2 Х15Н5Д2Т ВТ-9 ЭП-517, ЭП-718ИД ЖС6УВИ

3 + 0 3 + 0 ОТЖ 3 + 0

з + о

Ш, ВСШ, ИЗШ ВАЛ

Роторные лопатки

ВТ-20 ЭП-517, ЭП-718ИД

ОТЖ 3 + 0

ИЗШ, ВСШ Ш, ВАЛ

Диски

ВТ-9 ВТ-20

ОТЖ ОТЖ

Ш

Лабиринтные уплот­нения

18ХНВА,40ХНМА 13ХН14ВФРА Х24Н25Т

н + ов

3 + 0 3 + 0

Ш


Продолжение табл. 1.1

Основные сборочные единицы ГТД

Основные элементы сборочных единиц

Используемые материалы

Термическая обработка

Способ получения исходных заготовок и конструкций

Камера сгорания (КС)


Наружный кожух

Х18Н9Т, ВЖ98, ВЖ102

3, Вз

ХШ, Св, СбК

Жаровая труба

Х77ТЮР (ЭИ-437Б)

ХН77ТЮР-ВД (ЭИ-437Б-ВД)

ХН77ТЮРУ-ВД (ЭИ437БУВД)

ХН78Т (ЭИ-435) ХН80ТБЮ (ЭИ-607)

3 + Сб

ХШ, Св, СбК

Турбина

Наружная оболочка

ХН77ТЮРУ-ВД (ЭИ437БУВД)

ХН78Т (ЭИ-435) ХН80ТБЮ (ЭИ-607) ЖС6У-ВИ

3 + Сб

ХШ, Св, СбК

Корпус турбины

ХН80ТБЮ (ЭИ-607) ЖС6У-ВИ

3 + Сб

ХШ, Св, СбК

Статорные лопатки

ХН80ТБЮ (ЭИ-607) ЖС6У-ВИ, ЖС6ФВИ

3 + Сб

ХШ, Св, СбК









Роторные лопатки

ХН77ТЮРУ-ВД (ЭИ437БУВД) ХН78Т (ЭИ-435) ХН80ТБЮ (ЭИ-607) ЖС-3, ЖС6-К, ЖС6У-ВИ ЖС6Ф-ВИ,ЖС-40

жс-зови, жс-зо

3 + Сб

Ш, ЛНК, МКО

Диски

ХН77ТЮРУ-ВД (ЭИ437БУВД) ХН80ТБЮ (ЭИ-607) ХН62БМКТЮ-ПД

3 + Сб

Шзш

Лабиринтные кольца

ВЖЛ-14, ВЖЛ12У

З + Вз

Ш

Вал


Вал низкого давления

15Х12Н2МВДАБ-Ш

Н,3 + 0

Ш

Вал высокого давления

15Х12Н2МВДАБ-Ш

Н,3 + 0

Ш

Подшипники







СбК

Задняя опора, силовой агрегат (30)

Наружная оболочка

Х18Н9Т, ВЖ98, ВЖ102

3, Вз

ХШ, Св, СбК











Задняя опора, силовой агрегат (30)

Корпус задней опоры

13Х11Н2В2МФ : Х15Н5Д2Т Х77ТЮР (ЭИ-437Б) ХН77ТЮР-ВД (ЭИ-437Б-ВД)

3 + 0

ХШ, Св, СбК

Выхлопное устройство


Наружная оболочка

Х18Н9Т

3, Вз

ХШ, Св, СбК

Форсажная камера

Х18Н9Т, ВЖ98, ВЖ102

3, Вз

ХШ, Св, СбК

Реактивное сопло

ВЖ98, ВЖ102

3, Вз

ХШ, Св, СбК

Агрегаты двигателя


Корпусные детали

АК4-1.АК6, АК8 ВТЗ, ВТ9

3, С ОТЖ

Л, Ш

Шестерни

12ХНЗА, 18ХНВА 38ХМЮА 40ХНМА, 40ХН2МА-Ш

Н, Ц, 3 + 0 Н, Аз, 3 + 0 Н,3 + 0

Ш

Топливная,

воздушная,

масляная системы

Трубопроводы

1Х18Н9Т, Х17Н13МЗБ

Н, Ц, 3 + 0

Пр

Компенсаторы

1Х18Н9Т

Н, Ц, 3 + 0

Ш

Крепежные элементы

1Х18Н9Т

Н, Ц, 3 + 0

Ш

Примечание. Условные обозначения: 3 - закалка; О - отпуск; ОН - отпуск низкий; ОВ - отпуск высокий; ОТЖ - отжиг; СТ - старение; Н - нормализация; Сб - стабилизация; Вз - охлаждение на воздухе; Ц - цементация; Аз - азотирование; ХШ - холодная штамповка; Л - литье; Ш - штамповка; Св - сварка; СбК - Сборная конструкция; Р - раскатка; ВАЛ - вальцовка; ИЗШ - изотермическая штамповка; ТОШ - точная штамповка; ВСШ - высокоскоро­стная штамповка; Л - литье; ЛНК - литье с направленной кристаллизацией; МКО - монокристаллическая отливка; Пр - прокат.
В связи с ростом температуры на входе в турбину ГТД используют­ся технологии создания двух-, трехслойных термостойких, термобарьер­ных покрытий потоками высокотемпературной импульсной плазмы [6]. Внешний керамический барьерный слой (ZrO2-Y2O3, ZrO2-MgO) толщи­ной 70 ... НО мкм наносится на подслой керамики и металла (65/35) и слой металла (Ni-Cr-Al-Y), находящийся на основной подложке. Тол­щина системы достигает 500 мкм. Тепловое упрочнение позволяет соз­дать стойкое керамическое покрытие, которое способствует увеличению долговечности высоконагруженных элементов ГТД.

4. Применение термических и термохимических воздействий на основные детали ГТД. В практике термической обработки сталей и сплавов происходят фазовые превращения, например: неупорядоченная структура феррокарбидной смеси (ферроперлитная, перлитная с избы­точным карбидом) в стали при нагреве выше критических точек перехо­дит в полиморфное состояние, а при переходе через критическую точку образуется мелкое зерно аустенита.

В зависимости от легирования и ско­рости нафева стали группируют по степени проявления структурной на­следственности. Легирование стали влияет на критическую точку нафева и охлаждения.

Проведение качественной термической обработки деталей ГТД из различных сталей и сплавов определяет в большой степени качество из­делия (см. табл. 1.1). Место термических операций в технологическом процессе изготовления деталей и сборочных единиц, особенно для мало­жестких конструкций ГТД, является часто решающим [4].

5. Обеспечение высокой точности изготовления деталей, сбо­рочных единиц и всего изделия. Приведенные на рис. 1.1 радиальные зазоры Р1, P2, P3, ..., Рn между лопатками компрессора и турбины с элемен­тами корпуса; осевые зазоры О1 ,О2, Оn, ..., О„; зазоры B1 , В2, ..., Вп между валами, а также зазоры Л12, Л3, ..., Лn в лабиринтных уплотнениях оп­ределяют тягу, расход топлива, температурную напряженность элементов конструкции и КПД отдельных узлов и всего двигателя.

Точность расположения деталей относительно друг друга является важной характеристикой показателей качества.

Точность выполнения геометрических параметров ГТД - залог на­дежной и качественной работы всего изделия. В то же время точность, например, радиального зазора Рn определяется точностью изготовления входящих деталей: лопаток и диска компрессора 1 и p2), подшипника34) и статора (P5, Р6), В связи с этим показатели точности от­дельных деталей ГТД являются весьма высокими:

рабочих шеек валов в пределах IT5;

формы шеек валов до 0,003 мм;

допустимое биение шеек валов относительно друг друга не более 0,01 ... 0,02 мм;

замков лопаток компрессора и турбины в пределах IT5 и выше;

расположения элементов замка лопатки относительно друг друга не более 0,008 мм;

зазоров в лабиринтных уплотнениях компрессора и турбины 0,03 ... 0,04 мм;

зазоров в бандажных венцах колес турбины ступеней 1 и 2 не более 0,05 мм;

допустимое смещение профиля пера лопатки компрессора, турбины, соплового и направляющего аппарата не более 0,08 ... 0,15 мм;

динамической балансировки роторов компрессора и турбины в пре­делах 0,3 ... 0,4 Н/см2 и т.д.

Размерные расчеты, проводимые на стадии проектирования и при сборке изделий, базируются на допущении об идеальности формы и вза­имного расположения граничных поверхностей деталей. Реальные по­верхности деталей по топографической форме и взаимному расположе­нию вследствие технологических погрешностей могут существенным образом отличаться от идеализированных прототипов, положенных в основу размерных расчетов.

Как показывают исследования [5], именно контактные явления, со­ответствующие каждой паре соприкасающихся поверхностей, обуслов­ливают стабильность выходных характеристик изделия.

На рис. 1.1 показано место соединения роторов компрессора и тур­бины ГТД (элемент А). Контактные условия этого сопряжения являются весьма важными: от качества исполнения стыковых поверхностей соеди­нения непосредственно зависит надежность изделия.

В месте соединения лопаток турбины в верхнем бандажном венце происходят контакты элементов лопаток, которые работают при значи­тельных динамических и температурных нагрузках в процессе эксплуа­тации. От качества подготовки этих элементов зависит надежность всего изделия. В связи с этим в задачах, возникающих при размерном анализе изделия, зона стыка представляется в виде (составляющего) звена раз­мерной цепи. Звено-стык представляется как замыкающее звено контакт­ной цепи, в которой составляющими звеньями являются контактные де­формации (сближения) стыковых поверхностей сопрягаемых деталей.

Работа стыковых элементов ГТД может иметь пластический, пла­стический с упрочнением, упругопластический и упругий характер. При угом требования по состоянию поверхностей стыковых соединений су­щественно возрастают. Так, шероховатость стыковых поверхностей ло­паток определяется значениями Ra 0,2 ... 0,32 мкм и выше, точность ис­полнения этих поверхностей IT5 ... IT8, и часто требуется проведение специальных доводочных операций при сборке колес турбины и ком­прессоров.

При таких путях совершенствования ГТД значительно возросла сложность изготовления отдельных деталей и сборочных единиц. На­пример, применение в ГТД лопаток турбины, изготовленных из жаро­прочных труднообрабатываемых сплавов, со сложной внутренней поло­стью охлаждения при весьма высоких требованиях к точности профиля пера, к точности замка и бандажных полок резко усложнило производство.

Использование в ГТД промежуточных колец большого диаметра (1,5 ... 2 м) с малыми толщинами стенок (8 ... 10 мм) и значительными боковыми фланцами для крепления увеличивает длительность техноло­гического процесса и материалоемкость изделия. Использование тради­ционных способов получения заготовок колец и методов их обработки для труднообрабатываемых материалов усложняет задачи производства.

Такое положение в развитии ГТД выдвинуло на первый план задачи по совершенствованию методов и средств производства деталей и сбо­рочных единиц. Жесткие требования к срокам освоения новых изделий в производстве (срок освоения двигателя должен быть не более 2-3 лет) при относительно небольших партиях выпускаемых изделий делают эти задачи весьма сложными.

Создание конкурентоспособных ГТД с хорошими экономическими показателями производства обусловливает необходимость разработки быстропереналаживаемых и экономически выгодных технологических процессов изготовления современных изделий.
1.3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ГТД И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ
Понятие технологичности конструкции изделия - относительное. По мере совершенствования конструкции, средств производства, изменения способов и условий эксплуатации изделия изменяются экономические показатели производства и эксплуатации.

Мера использования экономичных и производительных методов из­готовления и оптимальных технологических процессов определяет тех­нологичность конструкции. Конструкция изделия, в которой эти воз­можности полностью учтены, называется технологичной.

Технологичность конструкции изделия определяется совокупно­стью свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производст­ва, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответст­вующими показателями однотипных конструкций изделий того же назна­чения при обеспечении установленных значений показателей качества.

На стадии технологической подготовки производства особое внима­ние следует уделять производственной технологичности конструкции изделия, определяемой применительно к его изготовлению [7, 8]. Конст­рукция изделия, разработанная для мелкосерийного производства, оказы­вается неприемлемой для серийного и массового производств и, наоборот.

На базе многолетнего развития и совершенствования техники и тех­нологии производства изделий в машиностроении и, в частности, в авиа­ционном двигателестроении сложились определенные правила по проек­тированию изделий и технологических процессов для изготовления изде­лий и его элементов. Эти правила постоянно изменяются и совершенст­вуются.

Для экономичного производства деталей ГТД необходимо выпол­нять следующие основные правила:

1) создавать детали с простой конфигурацией поверхностей, позво­ляющей обрабатывать их с максимальной производительностью;

2) обеспечивать наличие простых и качественных базовых поверх­ностей деталей для надежного закрепления и ориентирования заготовок в технологической системе;

3) использовать конструкции деталей, обладающих высокой жестко­стью для применения максимальных режимов при обработке поверхно­стей;

4) применять материалы деталей с хорошей обрабатываемостью на различных этапах технологического процесса;

5) обеспечивать оптимальную простановку геометрических и других параметров для поверхностей деталей и их расположения относительно друг друга, позволяющую производить обработку поверхностей на на­строенном оборудовании в автоматическом и полуавтоматическом режи­мах и т.д.

Многие детали ГТД обладают невысокой, с точки зрения состояния машиностроительного производства, технологичностью. Так, обрабаты­ваемость жаропрочных сплавов при холодной обработке металлов реза­нием в 10 раз и более хуже обрабатываемости машиностроительных ста­лей. Профили пера лопаток роторной и статорной части ГТД имеют сложную пространственную форму у маложесткого элемента конструк­ции. У большинства лопаток роторов компрессора и турбины отсутству­ют надежные технологические базовые установочные поверхности и т.д.

Это свидетельствует о том, что производство ГТД является весьма сложным. Поэтому кроме традиционных методов и средств обработки, применяемых в машиностроительном производстве, в авиационном дви­гателестроении идет постоянный поиск и совершенствование методов и средств производства, отражающих особенности конструкции ГТД и тре­бований к ним.
1.4. НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА

ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
Развитие современных ГТД, вызвавшее применение облегченной ажурной конструкции из труднообрабатываемых материалов, повышен­ные требования к точности исполнения отдельных элементов деталей и сборочных единиц, к качеству поверхностей и соединений, к мобильно­сти производства определили следующие основные направления совер­шенствования технологических процессов производства.

1. Создание новых и совершенствование традиционных методов получения заготовок:

отливок из жаропрочных сплавов с направленной кристаллизацией или монокристаллических отливок в оболочковые формы по выплавляе­мым моделям для формирования бесприпусковых заготовок по перу для лопаток первых ступеней турбины;

со сложными пространственными поверхностями из труднообраба­тываемых материалов, полученных горячим деформированием материа­лов в условиях сверхпластичности;

лопаток с высокой точностью профиля пера для различных ступеней компрессора с использованием высокоскоростной штамповки;

лопаток горячей и холодной вальцовки;

штамповкой в закрытых штампах;

колец больших диаметров с малой толщиной стенки раскаткой при непрерывном нагреве зоны раскатки токами высокой частоты;

близких к форме готовой детали с использованием эффекта сверхте­кучести материала;

методами порошковой и гранульной технологий.

2. Создание новых и совершенствование традиционных методов обработки заготовок:

лазерной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов, имеющих ажурную тонкостенную конструкцию высокой точности;

высокоточной сварки заготовок из тонколистовых материалов для крупногабаритных конструкций;

электрохимической обработки (ЭХО) материалов при формирова­нии сложных пространственных профилей заготовок;

электроискровой (ЭИ) и электроимпульсной (ЭИМ) обработки для получения отверстий малого диаметра в жаропрочных титановых сплавах;

ультразвуковой обработки для интенсификации процесса резания металлов при точении, шлифовании, нарезании резьб, а также в процессе сборки и контроля качества продукции;

деформационно-упрочняющей обработки поверхностей деталей.

3. Использование и создание нового оборудования и оснастки для производства деталей современных ГТД:

многоцелевого оборудования с числовым программным управлени­ем (ЧПУ);

гаммы станков для ЭХО-, ЭИ-, ЭИМ-методов обработки заготовок;

универсально-сборных приспособлений (УСП);

установочных кассет для ориентирования заготовок в технологиче­ской системе.

4. Создание и применение высокоточных методов контроля и устройств геометрических параметров деталей, качества поверхностей, качества материала и элементов соединения сборочных единиц:

оптико-электронных бесконтактных устройств с приборами с заряд­ной связью (ПЗС) для контроля и хранения в памяти ЭВМ фактических значений параметров деталей и сборочных единиц;

лазерных установок для контроля труднодоступных и высокоточных элементов деталей и сборочных единиц;

универсальных и специализированных координатно-измерительных машин (КИМ) с ЧПУ;

неразрушающих методов контроля для оценки качества материала и соединений;

контрольно-измерительных электронных головок для контроля ка­чества заготовок и управления технологическим процессом; '

"математической сборки" деталей по фактическим значениям со­ставляющих параметров для прогнозирования с помощью ЭВМ качества сборочных единиц и т.д.

5. Развитие технологий по созданию термостойких и термобарь­ерных покрытий деталей высоконагруженного тракта ГТД:

плазменного напыления многослойных покрытий;

электронно-лучевой технологии при создании термостойких покрытий;

вакуумно-плазменного напыления многослойных покрытий;

термического упрочнения многослойного керамического покры­тия и т.д.

Глава 2

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
2.1. МЕТОДЫ ДОСТИЖЕНИЯ ЗАДАННОЙ ТОЧНОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
При обработке заготовок на различных этапах технологического процесса с использованием оборудования и оснастки обеспечивается вы­полнение операционных размеров, технических требований и других по­казателей качества. Заданные значения качества и допустимые отклоне­ния определяют точность поверхностей, необходимую шероховатость, расположение их относительно друг друга, напряженное состояние, твер­дость поверхностного слоя и другие параметры заготовок.

При изготовлении отдельных заготовок или партии на металлоре­жущем ими другом виде оборудования для достижения заданных значе­ний параметров качества в авиационными двигателестроении использу­ются следующие методы достижения точности:

автоматического получения параметров на настроенном оборудовании;

пробных проходов и промеров;

комбинированный.

Метод автоматического получения параметров. На настроенном оборудовании наладка выполняется таким образом, что требуемая точ­ность достигается автоматически у партии обрабатываемых заготовок. Работы, которые необходимо выполнить, для использования этого метода можно разделить на два этапа.

Первый этап заключается в подборе инструмента (или нескольких инструментов), установке его на нужный настроечный размер и обработ­ке первой "пробной" заготовки. После этого проводится контроль полу­ченных значений параметров качества заготовки. Этот этап работы вы­полняет высококвалифицированный наладчик, который в серийном про­изводстве обслуживает несколько станков.

Второй этап заключается в обработке партии заготовок без вмеша­тельства оператора в процесс формирования показателей качества заго­товок. Рабочий выполняет на этом этапе установку, обработку и снятие заготовок. Кроме того, он периодически контролирует показатели каче­ства заготовок универсальными или специальными контрольно-измери­тельными устройствами. В случае нарушения параметров качества заго­товок или приближения их значений к границам предельно допустимых значений обработка заготовок прекращается. После этого производится подналадка или переналадка операции.

Второй этап обработки может быть механизирован или полностью автоматизирован. В этом случае работы, связанные с установкой и сняти­ем заготовок, осуществляются робототехническим комплексом. При ав­томатизации первого и второго этапов работ достигаются условия по созданию безлюдных технологий.

Необходимо отметить, что совершенствование технологии изготов­ления ГТД, оборудования, оснастки и средств производства направлено на механизацию и автоматизацию процессов обработки. Использование оборудования и оснастки с ЧПУ и компьютерных технологий способст­вует выполнению задач автоматизации технологических процессов.

Методом пробных проходов и промеров. Точность заготовок дос­тигается последовательно для каждой заготовки из партии. В этом случае два этапа (настройка и обработка) совмещены. Работу выполняет высо­коквалифицированный рабочий.

Сущность метода заключается в подборе инструмента и необходи­мой оснастки в соответствии с операционной картой (в отдельных случа­ях по чертежу детали) и настройке режущего инструмента на размер. При этом на коротком участке заготовки снимают пробную стружку. После этого станок останавливают, делают пробный замер полученного разме­ра, определяют его отклонения от заданного значения и вносят измене­ние в положение инструмента, которое отсчитывают по лимбу станка. Затем вновь проводят пробную обработку участка заготовки и контроль параметров.

Таким образом, путем пробных проходов устанавливают правильное положение режущего инструмента. После этого выполняют обработку заготовки по всей длине. В отдельных случаях при использовании этого метода производят разметку заготовок.

Этот метод используется в единичном и мелкосерийном производ­стве. Недостатком метода является невысокая производительность, сложность механизации и автоматизации процессов наладки и обработки поверхностей заготовок.

Комбинированный метод. Метод пробных проходов и промеров используют для выполнения одного параметра из всего множества задан­ных значений операционных размеров. Все остальные заданные значения операционных размеров, как правило, выполняются на настроенном обо­рудовании по специальной программе или с помощью различных копир-ных устройств и других средств автоматизации.
2.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАГОТОВОК НА НАСТРОЕННОМ ОБОРУДОВАНИИ
Направление современного развития средств производства ориенти­ровано на прогрессивный метод автоматического получения параметров заготовок на настроенном оборудовании.

Работа станков с ЧПУ тесно связана с системой координат. Оси ко­ординат располагают параллельно направляющим станка, что позволяет при программировании обработки указывать направление и значение перемещения рабочих органов. В качестве единой системы для всех станков с ЧПУ принята система координат XYZ.

Положительные направления движения заготовки относительно не­подвижной части станка указывают оси X', Y', Z', направленные проти­воположно осям X, Y, Z. Таким образом, положительными всегда являют­ся такие движения, при которых инструмент и заготовка удаляются друг от друга.

Круговые перемещения инструмента (например, угловое смещение оси шпинделя станка) обозначают буквами А (вокруг оси X), В (вокруг оси Y), С (вокруг оси Z), а круговые перемещения относительно коорди­натной системы X', Y', Z' соответственно А', В', С [9].

На рис. 2.1 представлена стандартная система координат револьвер­ного станка с ЧПУ. В этой системе показаны, для примера, основные на­правления перемещения вдоль осей X и Y и круговое движение -С отно­сительно оси Z.

В этой координатной системе станка располагаются координатные системы приспособления, инструмента и заготовки. Координатная систе­ма A"nynZn приспособления может совмещаться с нулевой точкой М стан­ка, а может быть смещена на величину П (как в примере) в зависимости от габаритных размеров приспособления.



Рис. 2.1. Система координат револьверного станка с ЧПУ
Совмещение координатных осей приспособления осуществляется при наладке операции технологического процесса и может быть достиг­нуто сменой приспособления или выверкой положения базовых устано­вочных элементов приспособления относительно координат станка.

В отдельных случаях используется даже обработка базовых устано­вочных поверхностей приспособления "по месту", т.е. базовые поверхно­сти приспособления в процессе наладки обрабатываются (например, применяется расточка "сырых" кулачков и подрезка торцов кулачков у самоцентрирующих патронов). Этот способ используется при невысокой

степени точности применяемой оснастки и позволяет повысить точность совмещения координатных систем приспособления и станка.

Совмещение координатной системы заготовки X, Y, Z, осуществля­ется в процессе установки и закрепления ее в приспособлении. В рас­сматриваемом примере несовпадение осей в направлении координаты Z-величина Dу. После закрепления в координатной системе XYZ станка за­готовка становится как одно целое с элементом шпинделя станка и при­способления.

Обработка поверхностей заготовки осуществляется режущими ин­струментами, закрепленными в инструментальные блоки № 1 и № 2, ко­торые размещены в револьверной головке с координатами Хи, Yи, Zи. По­ложение оси этой револьверной головки Г определяется координатами Гх Гz, точность выполнения которых контролируется при изготовлении станка на станкостроительном заводе. Точность станка (нормальная, по­вышенная, высокая и т.д.) фиксируется в паспорте станка и периодически проверяется в процессе профилактического или текущего ремонта обору­дования.

В координатной системе револьверной головки Г размещены инст­рументальные блоки, которые настраиваются вне станка на размеры И1, И2 Смена инструментальных блоков в процессе наладки и выполнения операции обеспечивает точное положение настроечных точек Р1, P2, ... инструмента в определенном месте. В рассматриваемом примере настро­ечная точка Р1 совпадает с исходной точкой 0.

При установке инструментальных блоков в револьверную головку обеспечивается соединение базовой установочной поверхности блока с базовым установочным элементом револьверной головки с высокой точ­ностью и надежностью соединения. При этом положение точки Р1 отно­сительно оси револьверной головки в направлении оси Z определяется соответственно размерами Иi, (блока), Гi, (головки). Подобным образом задается также положение точки Р1, в направлении оси X. Поворотом ре­вольверной головки в направлении или осуществляется в нужный момент смена инструмента.

Движение настроечной точки инструмента в технологической сис­теме из исходной точки 0 в точку 1, 2 и т.д. обеспечивает разработанная программа движения инструмента по необходимой траектории. Скорость движения инструмента при этом изменяется в зависимости от заданных условий обработки.

На основании приведенной схемы работы станка с ЧПУ рассмотрим возможность автоматического получения параметров на настроенном станке при различных вариантах базирования заготовки и задания опера­ционных размеров.

На рис. 2.2 представлена схема установки заготовки в технологическойl системе. Базовые элементы приспособления создают координатную систему XnYnZm которая размещена в координатной системе станка при наладке операции. В данной координатной системе проводится смена заготовок и обработка их в соответствии с операционным эскизом по заданной программе станка с ЧПУ.

После установки и закрепления заготовки в технологической систе­ме инструментальный блок № 1 из исходной точки 0 на холостом ходу перемещается в точку /, производит проточку цилиндрической поверхности заготовки до точки 2, затем из точки 2 перемещается в точку 3, произведя подрезку торца заготовки. Из точки 3 на холостом ходу блок № 1 возвращается в исходное положение, где происходит смена позиции револьверной головки.



Рис. 2.2. Схема установки заготовки в технологической системе

Инструментальный блок № 2 из исходной точки (или другой рас­четной точки) перемещается в точку / на холостом ходу, производит подрезку торца заготовки до точки 2* в рабочем режиме и возвращается в исходное положение.

В процессе этих движений режущих инструментов в технологиче­ской системе по разработанной программе для станка с ЧПУ должны быть получены в заданных допустимых пределах два операционных ли­нейных размера А1 и А2.

Выполнение заданных операционных размеров А1 и А2 и допусков Т1 и Т2 зависит от различных причин и условий обработки заготовок. Вы­полнение размера А2 и заданного допуска Т2 определяется траекторией движения двух инструментальных блоков в технологической системе.

На рис. 2.2 в координатной системе показаны размеры ао1 и ао2 от­ражающие фактическое положение поверхностей I и 2 заготовки отно­сительно исходной поверхности Е технологической системы. Фактиче­ские значения размеров ао1 и ао2 зависят от многих причин, например:

от жесткости технологической системы;

от режимов резания;

от твердости обрабатываемого материала заготовки;

от эффективности охлаждения зоны обработки;

от припуска, удаляемого в процессе обработки заготовок, и других факторов.

Перечисленные факторы отражают применяемый метод обработки заготовок на данной операции. Если принять условие, что отклонения фактических размеров а01 и ао2 от требуемых значений равны нулю, то операционный размер А2 также будет выполнен без отклонения от задан­ного значения. В этом случае размер А2 для партии заготовок будет по­стоянным.

На выполнение операционного размера А\ оказывают влияние со­ставляющие размеры а1, ау и аб. Рассеяние значений этих составляющих в партии обрабатываемых заготовок влияет на формирование фактиче­ских размеров A i заготовок. В этом случае размер а1, отражает несовпаде­ние поверхности 4 заготовки с установочной поверхностью Е приспособ­ления в направлении оси Z, размер аб, - несовпадение измерительной по­верхности 3 с установочной поверхностью 4 заготовки. Сумма рассеяния этих составляющих размеров в партии заготовок определяет возможность выполнения операционного размера А1, и заданного допуска Т1 а поле рассеяния суммарной составляющей - возможность выполнения данной операции в автоматическом режиме.
Пример 2.1. Даны операционные размеры: А1 = 20 ± 0,1 мм (Т1, = 0,2); А2=20± 0,1 мм (Т2, = 0,2);

Известно также, что ау = 0 + 0,1 мм, аб = 20 ± 0,2 мм.

Зиачения размеров а01 = 40,05 мм и а02 = 60,05 мм приняты постоянными.

Требуется установить возможность выполнения заданных операционных размеров А1| и А2 в автоматическом режиме на настроенном станке.

Общее уравнение размерной цепи, в которой операционный размер A1 явля­ется шмыкающим звеном, имеет вид:



Тогда уравнение замыкающего звена равно:



Из этого уравнения определим возможные значения анализируемого опера­ционного размера А1, которые будут определять их соответствие заданным значени­ям допустимых операционных размеров (A 1max = 20,1 мм, А1min= 19,9 мм):





Поле рассеяния .

Таким образом, заданное значение допуска Т1 = 0,2 мм будет нарушаться при изготовлении, и значительная часть заготовок при обработке окажется бракованной.

Операционный размер А2 будет выполнен с идеальной точностью, так как ожидаемые значения этого размера:



Из примера видно, что от способа задания операционных размеров, от выбора базовых установочных и измерительных поверхностей загото­вок зависит возможность применения метода автоматического получения показателей качества.

Изменив базирование заготовки или простановку операционного размера А1, можно создать условия для выполнения заданного значения операционного размера в пределах допуска Т автоматически, на настро­енном оборудовании.

Часто при изготовлении различных заготовок такие изменения по различным причинам невозможны. В этих случаях может быть использо­ван третий метод достижения точности - комбинированный.

Комбинированный метод достижения заданной точности пара­метров заготовок используется в тех случаях, когда невозможно полу­чить один или несколько операционных размеров автоматически на на­строенном оборудовании. Для применения этого метода могут быть ис­пользованы станки с "плавающим нулем". Станки с ЧПУ такого типа по­зволяют часть размеров (чаще всего это один операционный размер) обеспечить методом пробных проходов и промеров, а множество осталь­ных параметров, которые создают внутрикомппексную связь (в пределах одной операции) поверхностей выполнить обработкой по программе для станка с ЧПУ.

Пример 2.2. Для примера 2.1 это обеспечивается следующим образом: при подрезке торца I (см. рис. 2.2) заготовки используется метод пробных проходов и промеров. После достижения случайного, но допустимого значения операционно­го размера А1 фиксируется "плавающий ноль" станка (система "обнуляется"). Дальнейшая обработка комплекса поверхностей заготовки осуществляется по программе в координатной системе, нулевая "плавающая" координатная точка которой находится на поверхности I заготовки.

Комбинированный метод достижения заданной точности парамет­ров заготовок не обеспечивает полной автоматизации получения опера­ционных размеров, но решает значительную часть задач, которые возни­кают в авиационном двигателестроении.
2.3. СТРУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ
Обеспечение показателей качества изделия (ПКИ) - одна из важ­нейших задач, решаемых на этапах конструирования и разработки техно­логических процессов производства. Направления совершенствования процессов изготовления ГТД и использование прогрессивных методов достижения точности параметров заготовок на современном оборудова­нии требуют оптимальной взаимосвязи параметров для различных уров­ней производства с целью обеспечения показателей качества изделий при экономически выгодных вариантах производства.

Выполнение этого условия обеспечивается на основании глубоких исследований и конструкторско-технологической проработки изделия.

В процессе проектирования определяются оптимальные формы де­талей, обеспечивающие наибольшую долговечность. Точность выполне­ния параметров деталей и сборочных единиц должна быть экономически целесообразной и обеспечивать надежную работу всего изделия в целом. Функциональные связи ПКИ с технологическими параметрами опреде­ляются согласно структурно-логической схеме (рис. 2.3). В этой схеме можно выделить несколько уровней конструкторской и технологической сфер реализации функциональных связей [10].
СВЯЗИ



Рис. 2.3. Структурно-логическая схема обеспечения показателей качества изделия (ПКИ)
Эксплуатационные связи (уровень 1) характеризуют обеспечение основных параметров изделия. Эти характеристики зависят от геометри­ческих, физико-механических, химических и других параметров изделия, а также от параметров, которые воздействуют на изделие в процессе его эксплуатации.

К геометрическим параметрам изделия относятся осевые и ради­альные зазоры в соединениях и передачах (K ,K, отклонение формы (Кф) поверхностей проходных сечений в изделии, шероховатости ш) рабочих и конструкторских поверхностей и т.д.

Физико-механические параметры изделия определяются твердостью HRC деталей, глубиной наклепанного слоя нс), остаточными напряже­ниями ) в поверхностном слое детали и т.д.

Химические параметры изделия отражают состав материала и сплавов, структуру и свойства основного материала и материала покрытия и т.д.

Силовые Р и температурные Т факторы - силы и перемещения эле­ментов, возникающие при эксплуатации и нагреве изделия.

Значения параметров представленного уровня и их взаимодействие в процессе эксплуатации определяют характеристики и стабильность ПКИ во времени.

Сборочные связи (уровень 2) характеризуют обеспечение выход­ных параметров изделия в процессе сборки. В структурно-логической схеме на рис. 2.3 рассмотрена одна из веток обеспечения основных гео­метрических размеров ) сборочных связей. Она показывает, что вы­полнение данного размера зависит от геометрических параметров дета­лей, входящих в сборочную единицу 1 Кг, К3, ..., Кn), а также от других факторов, воздействующих на детали в процессе сборки. Эти воздействия проявляются как силовые Рс (силы затяжки соединений, запрессовки де­талей и т.п.) и температурные Тс (нагрев или охлаждение деталей в про­цессе сборки).

Детальные связи (уровень 3) дают возможность вскрыть сущест­вующие связи между конструкторскими и технологическими операцион­ными размерами. Они отражают особенности построения технологиче­ских процессов изготовления деталей и способы обеспечения требова­ний, заданных в чертеже.

Связи в технологической системе (уровень 4). На этом уровне выделяются основные параметры, связанные с установкой, обработкой и базированием пу, апо, а6) заготовки. Применение технологических схем обработки [11] определяет качественное выполнение заданных операци­онных размеров n) деталей.

Рассматривая следующий уровень связей ПКИ, можно обнаружить, что размеры, определяющие установку заготовки пу), находятся в непо­средственной связи с применяемой оснасткой пр) и оборудованием (АСТ), с их точностью и жесткостью, с режимами резания Арз. Остаточные изменения геометрических параметров, связанные с процессом обработ­ки no), зависят от кинематической точности применяемого оборудова­ния (Акин), величины отжатая отж), имеющей место в процессе обработ­ки заготовки, износа режущего инструмента и оборудования и т.д.

Рассматривая ветку структурно-логической схемы параметра отжа­тая отж) элемента заготовки в процессе обработки, видим, что он нахо­дится в непосредственной связи с величинами удаляемого припуска ме­талла, режимов обработки (Az, Av, As) в данной операции и других факто­ров.

Если рассмотреть функциональные связи физико-механических или химических параметров деталей, то можно заметить подобную тенден­цию образования уровней связей.

Структурно-логическая схема показывает неразрывность связей по­казателей параметров качества всех уровней с выходными ПКИ и вскры­вает сферы реализации конструкторско-технологических разработок.

Задачи конструкторской сферы реализации заключаются в опреде­лении параметров изделия с целью получения необходимых показателей качества.

Задачи технологической сферы реализации заключаются в выполне­нии данных параметров на основе расчета и правильного построения технологических процессов.

Первый и второй этапы сферы реализации представляют соответст­венно движение от общего к частному (задачи синтеза) и, обратно, от частного к общему (задачи анализа). При решении задач синтеза для лю­бого параметра назначаются допустимые границы (допуски Т), детерми­нированные условиями обеспечения ПКИ.

При анализе качественных показателей различных уровней произ­водства изделий по имеющимся (ранее разработанным) составляющим параметрам и допускам на них определяются возможные значения вы­ходных ПКИ в виде полей рассеяния .

Величина, устанавливающая соотношение между полем рассеяния со и допуском Т, является показателем точности протекающего процес­са [12, 13]. Это - коэффициент точности

КТ = /Т.

Коэффициент точности определяется на основании статистического анализа точности технологических процессов. В качестве нормативных значений применяются следующие его значения:

0,3 < КТ < 0,5 при обработке на новом оборудовании, которое по точности значительно превышает необходимую;

0,5 < КТ< 0,75 при обработке на оборудовании, которое находится в хорошем состоянии и имеет нормальный запас точности;

0,75 < КТ < 0,95 при обработке на оборудовании и оснастке, находя­щейся в нормальном состоянии, с малым запасом точности;

0,95 < КТ < 1,05 при обработке на оборудовании и оснастке с отсут­ствием запаса точности и при экономически оправданном небольшом уровне брака.

В работах [14] - [16] дана унификация методов оценки точности от­дельных технологических процессов и суммирования составляющих эле­ментов для различных видов размерных связей. Помимо случайных по­грешностей обработки, соединения и сборки элементов изделий, сумми­рование которых осуществляется в соответствии с вероятностными мо­делями, на поле рассеяния со выходных характеристик влияют следую­щие факторы:

смещение математического ожидания под действием систематиче­ских факторов (систематическое смещение при настройке, износ рабочих инструментов, изменение температуры технологической системы, износ установочных элементов и т.д.);

рост поля рассеяния случайной величины от действия как система­тических (динамическая расстройка технологической системы), так и случайных факторов.

Такой способ оценки точности позволяет более достоверно опреде­лять происходящие процессы при изготовлении или назначении опти­мальных составляющих параметров для производства.
2.4. ФОРМИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОГО ПЛАНА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Разработка технологического процесса изготовления деталей явля­ется наиболее важной частью создания высококачественного изделия и экономически обоснованного производства.

Для производства деталей приняты следующие основные этапы об­работки:

1) подготовительный;

2) черновой;

3) получистовой;

4) чистовой;

5) окончательный, отделочный.

В процессе выполнения механической обработки по мере необходи­мости производятся различные термические и термохимические опера­ции с целью создания у заготовок необходимых качественных показате­лей. Кроме того, заготовки подвергаются периодическому контролю и выполнению различных видов упрочняющих и отделочных операций.

Количество этапов обработки и применение различных операций за­висят:

от конструктивных особенностей и требований к деталям;

от применяемого материала;

от качества выполнения исходной заготовки;

от применяемых средств производства и других факторов.

Для определения количества этапов обработки и их последователь­ности выполнения необходимо иметь численную оценку процесса обра­ботки. Эту оценку можно дать на основании коэффициента уточнения Е, который рассчитывается как отношение допусков заготовки к допускам готовой детали для каждой поверхности детали:



где Tзаг - наибольший допуск исходной заготовки; Тг.д. - наименьший до­пуск готовой детали.

Разделение технологического процесса на этапы и выполнение их в порядке возрастания точности обеспечивают наиболее качественную и производительную обработку заготовок. Основные этапы обработки в порядке возрастания точности заготовок представлены в табл. 2.1 в ос­новном для деталей, подвергающихся механической обработке резанием.
2.1. Основные этапы обработки в порядке возрастания точности заготовок


Параметр

Значение

Поле допуска отверстия, вала

5

Н6 6

Н7

7

Н8

Н9

8



НЮ 10

НИ 11



Н12

12

:

Н14 14

Н15

15

Квалитет

5

6

7

8




9

10

11

12

-

13

14

15

Число единиц допуска, мкм

7

10

16

25

30

40

64

100

160

200

250

400

640

Ej при j:


n

п+ 1




т-1

m





1,43

1,6

2,5

4,0

4,0
















Этапы обработки

Окончательный отделочный

Чистовой

Получистовой

Черновой и подготовительный

Текущий коэффициент уточнения Ej определяется тождественным равенством:



Коэффициент уточнения Ej зависит:

от способов получения заготовок;

от технических требований, применяемых к деталям;

от особенностей применяемых методов обработки, их места в тех­нологическом процессе и других факторов.

Этот коэффициент меняется в значительных пределах (от j = п до у = т).

Если исходная заготовка будет иметь невысокую точность, напри­мер, она получается методом свободной ковки, то количество этапов ме­ханической обработки для достижения необходимой точности у детали будет больше, чем при использовании исходной заготовки, выполненной более точным методом, например штамповкой в открытых штампах.

Способ получения исходной заготовки определяет необходимость создавать напуски, увеличивать расчетные припуски на заготовках, вы­полнять сложные операции, связанные с выверкой их в процессе подго­товки установочных базовых поверхностей.

Таким образом, количество этапов обработки зависит от точности заготовок на различных этапах производства (включая получение исход­ной заготовки).

Пример 2.3. Определить, как изменится число этапов обработки, если до­пуски на один из элементов заготовки будут разные.

1 Первая заготовка имеет допуск на один из параметров Tзаг= 0,64 мм (невысо­кая точность).

2. Вторая заготовка получена более точным методом. На рассматриваемый

параметр допуск Tзаг = 0,16 мм.

Для достижения точности у готовой детали с допуском Tгд = 0,025 мм для рас­сматриваемого элемента детали потребуется различное количество этапов меха­нической обработки.

В первом случае расчетный коэффициент уточнения



т.е. рекомендуемое число этапов обработки в соответствии с табл. 2.1 находится между значениями Е1 = 4 х 4 = 16 и Е1 = 4 х 4 х 2,5 = 40.

В этом случае для достижения заданной точности необходимо выполнить три этапа обработки:

1) черновой;

2) получистовой;

3) чистовой.

Во втором случае коэффициент уточнения

Е2 = Тзаг2гд = 0,16/0,025 = 6,4,

т.е. рекомендуемое число этапов обработки находится между Е1= 4x2,5 = 10 и Е1 = 4.

В этом случае для достижения заданной точности необходимо выполнить два этапа обработки:

1) получистовой;

2) чистовой.

Очевидно, что чем точнее обеспечиваются параметры заготовок (включая исходные заготовки), тем меньше необходимо предусматривать этапов механической обработки для различных поверхностей.

Совершенствование процессов производства направлено на улуч­шение методов обработки, оснастки и средств производства, что приво­дит к сокращению числа этапов обработки. Так, при обработке лопаток турбины, которые имеют сложную пространственную форму пера и изго­товляются из труднообрабатываемого хромоникелевого сплава (коэффи­циент обрабатываемости лезвийным инструментом для такого материала равен К = 0,02), обеспечивают получение исходной заготовки с точно­стью профиля пера, равной заданным допускам в чертеже готовой детали.

Коэффициент уточнения в этом случае Е = 1. При такой исходной заготовке механическая обработка по перу лопатки считается ненужной.

Создание таких технологических процессов изготовления деталей ГТД является весьма сложным. Качество деталей в этом случае зависит от технологических процессов заготовительного и основного произ­водств.

Увеличение требований к сбалансированности деталей и сборочных единиц ГТД для роторной части двигателя (ротора компрессора, ротора турбины, валов и т.п.) вызывает необходимость применять различные технологические приемы, которые позволяют в процессе механической обработки заготовок уменьшить производственные погрешности, влияющие на дисбаланс роторов. В связи с этим на различных этапах обра­ботки деталей для повышения точности используют высокоточную уста­новочную (оптимальную) схему обработки и точные измерительные уст­ройства.

Смещение элементов деталей роторной части двигателя (диски ком­прессора и турбины, валы, соединительные и уплотняющие кольца и т.д.) в радиальном и осевом направлениях относительно конструкторских по­верхностей приводит к неуравновешенности масс. Эта неуравновешен­ность проявляется по всему тракту двигателя и ее устранение на этапе обработки является весьма важной задачей. Уменьшение исходной не­уравновешенности для гибких роторов компрессора и турбины является решающей при создании качественных ГТД. Методы статической и ди­намической балансировки, которые используются для отдельных деталей и сборочных единиц, не позволяют полностью устранить эту неуравно­вешенность. Скрытая неуравновешенность роторов при эксплуатации двигателей приводит к появлению повышенной вибрации. Такое положе­ние обусловливает необходимость на этапе механической обработки де­талей роторной группы двигателя уменьшать влияние источников не­уравновешенности.

Так, для свободных поверхностей дисков и валов, от которых не требуется высокая точность самих поверхностей, требование по распо­ложению этих поверхностей относительно конструкторских баз возраста­ет многократно. Для свободных поверхностей дисков и валов ГТД при окончательной обработке обеспечивают взаимное их биение в пределах 0,03 ... 0,05 мм. Это условие выполняется за счет уменьшения количества установок заготовок в технологической системе при обработке. Обработ­ка множества поверхностей с одной установки часто усложняет произ­водство, но позволяет повысить точность расположения обрабатываемых поверхностей относительно друг друга.

Необходимо отметить, что детали турбины ГТД работают при высо­ких температурных режимах эксплуатации. Перепад температур в раз­личных зонах отдельной детали двигателя достигает 400 °С. Это требует в процессе изготовления деталей тщательной защиты их поверхностей. Для защиты поверхностей используют гальванические покрытия, ионоплазменное напыление, специальные термобарьерные керамические по­крытия и т.п.

С целью повышения качества поверхностей и увеличения ресурса работы деталей ГТД в поверхностном слое создаются сжимающие на­пряжения различными упрочняющими методами такими, как гидродро­беструйная, пневмодробеструйная, абразивно-жидкостная обработка, алмазное выглаживание поверхностей, выглаживание шариками или ро­ликами, применение лазерной обработки т.п.

Высокие требования к качеству материала деталей и к поверхностям соединений определяют необходимость применения различных видов контроля в технологическом процессе изготовления: люминесцентного, рентгеновского и других видов проверки материала обеспечивает качество.

Данные условия усложняют производство деталей ГТД, увеличива­ют количество операций в технологическом процессе и вызывают необ­ходимость применять специальные технологические приемы. Без учета увеличивающихся требований к современным ГТД невозможно в на­стоящее время создать качественные экономичные и конкурентоспособ­ные изделия.

В табл. 2.2 представлены возможные изменения в основных этапах обработки для различных поверхностей деталей в связи с особенностями изготовления сложных элементов ГТД.
2.2. Возможные изменения в основных этапах обработки различных поверхностей деталей

Этап

Назначение и характер этапа




Но­мер

Состав­ляющие

Наименование




1

1

Подготови­тельный

Обработка поверхностей для технологи­ческих базовых поверхностей




2

2

Черновой

Съем напусков и припусков, вызванных особенностью получения исходной заго­товки. Точность размеров обеспечивается в пределах IT12 ... IT14, формы и располо­жения X ... XII степени; Rz = 20 ... 80 мкм




3

Термический 1

Снятие внутренних напряжений







Этап

Назначение и характер этапа

мер

"остав-яющие

Наименование

3

4

Получистовой 1

Восстановление баз и получистовая обра­ботка основных поверхностей. Точность размеров обеспечивается в пределах IT 10 ... IT12, формы и расположения VIII ... IX; Rz = 10 и выше

5

Термическая 2

Улучшение качества средних и поверхно­стных слоев материала заготовки, цемен­тация

6

Получистовая 2

Съем цементационного слоя на поверх­ностях, предохраняемых от цементации. Обработка второстепенных поверхно­стей. Обработка основных поверхностей

7

Термическая 3

Закалка, отпуск




8

Чистовой 1

Восстановление баз, чистовая обработка., Точность размеров IT8 ... IT9, формы, рас­положения VI ... VII степени; Rz = 3,2 ... 6,3 мкм; Ra = 0,63 ... 1,25 мкм




9

Термический 4

Азотирование, старение

4

10

Чистовой 2

Шлифование поверхностей, предохра­няемых от азотирования




11

Чистовой 3

Правка баз, чистовая обработка основных поверхностей. Точность размеров IT8 ... IT9, формы и расположения IV ... VII сте­пени; Rz = 3,2... 6,3 мкм; Ra = 0,63 ... 1,23




12

Гальванический

Хромирование, никелирование и др.

5

13

Отделочный

Доводка главных поверхностей, точность размеров IT5 ... IT7, формы расположения IV ... V степени; Rz = 0,8 ... 1,6 мкм; Ra = 0,16 ...0,32 мкм




14

Контрольный

Окончательный контроль


  1   2   3   4   5


УДК 621.45.0.002.2(0.75.8) ББК 39.55 ДЗО
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации