Разработка и внедрение высокопроизводительных процессов, инструмента и оборудования для обработки резанием деталей из труднообрабатываемых материалов : Применительно к производству ГТД

• Автор: Крымов, Валентин Владимирович
• Шифр специальности: 05.03.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 59 с. : ил.; 20х14 см

ВВЕДЕНИЕ
Одной из наиболее актуальных задач авиадвигателестроения является повышение термодинамических параметров газотурбинных двигателей (ГТД) и, в первую очередь, увеличение температуры газа в турбинах, что с/ предопределяет рост мощности и КПД силовых установок и снижение расхода топлива Так,: если температура газа на входе в турбину в двигателях V второго поколения составляла 1200°К-1275°К, то в ГТД четвертого поколения температура повысилась до 1650°К-1680°К. Это позволило повысить мощность при одновременном сокращении удельного веса двигателей (отношение веса двигателя к взлетной тяге в Кг/Кгс тяги). Этот показатель, например, в двигателях второго поколения составляет 0,18-0,22 Кг/Кгс тяги, а в газотурбинных установках четвертого поколения он уменьшился до значений 0,11-0,13 Кг/Кгс тяги, или в 1,7-2 раза.
Существенное увеличение основных эксплуатационных параметров двигателей тесно связано с интенсификацией температурно-силового воздействия на их детали и узлы, резким возрастанием усталостных и термоусталостных нагрузок, высокотемпературной газовой коррозии, износа и других неблагоприятных факторов.
Создание каждого нового поколения авиационных двигателей неразрывно связано с успехами в разработке и промышленном освоении новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками - это в первую очередь, титановые и жаропрочные никелевые деформируемые и литейные сплавы, содержание которых в новых двигателях постоянно увеличивалось. Так, например, в двигателе второго поколенияАл7Ф1 (в работе приводятся ссылки на двигатели АЛ - разработчик АО "А. Люлька-Сатурн”, генеральные конструктора А.М. Люлька, В.М. Чёпкин; все поколения двигателей этого КБ изготавливались на ММПП, "Салют") жаропрочные и титановые сплавы составляли соответственно .28% и 5%, то в двигателе четвертого поколения Ал31Ф их удельный вес увеличился до 58% и 31%. Кроме того, новые конструкционные материалы с улучшенными физико-механическими свойствами имеют, как правило, более низкую обрабатываемость резанием, что существенно усложняет их обработ-тачивает трудоемкость изготовления ГТД. Так, если у основного шого сплава ЭИ437БУ для изготовления дисков турбин двигателя поколения РД-45 коэффициент обрабатываемости резанием со-0,22, то у сплава ЭП742ИД, который применяется в двигателе
:ит коэффициент уменьшился до 0,14 или более, чем в 7 раз по
-,ыо с обрабатываемостью стали 45.
§ г бедствие низкой обрабатываемое ги скорости резания при точении чяых сплавов даже твердосплавным инструментом не превышают с; = V тдин, в то время как обычные конструкционные стали обрабатыва-торостях резания 250-400 м/мин и выше.

Создание новых ГТД с более высокими летными характеристиками приводит также к усложнению конструкции двигателя, повышению требований по точности и качеству обработки деталей и узлов, что в свою очередь приводит к увеличению трудоемкости. В этой связи показательна динамика увеличения трудоемкости изготовления двигателей различных поколений: трудоемкость изготовления, например, двигателя второго поколения Ал7Ф1 в сравнении с Р-45 увеличилась в 1,6 раза, а для двигателей Ал21Ф и Ал31Ф (соответственно третьего и четвертого поколений) в 2,5 и 5,6 раз.
В структуре общей трудоемкости формообразования и сборки ГТД наибольший удельный вес занимает механообработка. Например, в трудоемкости изготовления двигателя Ал31Ф ее доля составляет 58%, а среди групп деталей наибольшая трудоемкость приходится на производство лопаток компрессора и турбины - от 22% до 30% от общей трудоемкости изготовления двигателя. Эта группа деталей во многом определяет также надежность работы и ресурс ГТД в эксплуатации.
Общеизвестно, что развитие авиадвигателестроения и создание новых современных конструкций двигателей всегда сопровождается и обусловливается не только разработкой и освоением новых авиационных материалов, но и прежде всего разработкой и внедрением новых высокопроизводительных технологических процессов, оборудования и инструмента для изготовления деталей и узлов из этих материалов, которые обеспечивают повышенные значения ресурса и надежности ГТД.
Это направление научно-технического прогресса в производстве газотурбинных двигателей сохраняет свою актуальность и в настоящее время, в связи с созданием двигателя пятого поколения.
В данной работе представлены результаты комплексного решения проблемы повышения эффективности механической обработки деталей из труднообрабатываемых материалов в производстве ГТД й в основном процессов финишного формообразования - шлифования пера и замка лопаток компрессора и турбины, разработки, исследованШГи внедрения процессов вибрационной обработки, новых инструментальных материалов и методов их упрочнения. Научно-исследовательские разработки послужили основой создания новых схем и типов оборудования и инструмента для обработки сложнопрофильных поверхностей и глубоких отверстий в деталях из'труднообрабатываемых материалов.
Эта важная и сложная научно-техническая проблема решалась в сотрудничестве с КБ - разработчиками двигателей, отраслевыми институтами ЦИАМ, ВИАМ, НИИД, а также с МГТУ им Баумана, МГАТУ им.Циолковского, МГТУ "Станкин" и др.

замков лопаток, а также на отечественном оборудовании для глубинного шлифования, таком как, одношпиндельный станок с Ч1ТУ для плоскопрофильного шлифования модели ЛШ-220 для обработки основания хвостовика, переднего и заднего торцов. Схема глубинного шлифования, реализованная на станках Липецкого станкостроительного завода, позволяет повысить эффективность процесса в связи с ведением непрерывной правки шлифовального круга алмазными прецизионными роликами и расширить область использования нового метода для получения профиля любой сложности с высокой степенью точности.
В разрабатываемом в настоящее время на предприятии технологическом процессе механической обработки рабочих лопаток высокоресурсной газотурбинной установки закладывается до 70% операций, выполняемых с использованием метода глубинного шлифования.
Принципиально новым этапом в развитии глубинного шлифования, является метод высокоскоростного глубинного шлифования с применением высокопористых шлифовальных кругов с рабочей скоростью до 80-100 м/с. Этот метод, будучи дальнейшим развитием метода глубинного шлифования с традиционными скоростями резания (Укр= 20...30 м/с) позволит не только повысить скорость съема материала более чем в 5... 10 раз, но и снизить (вдвое и более) толщину слоя материала, несущего остаточные напряжения пластического деформирования, тем самым позволит практически полностью сохранить первичные физико-химические свойства конструкционных материалов в поверхностном слое деталей и увеличить их долговечность.
Использование нового метода глубинного шлифования связано с решением ряда задач, одной из которой является применение нового вида абразивного инструмента, позволяющего повысить эффективность процесса.
Таким инструментом, по мнению специалистов, в настоящее время и будущем может стать высокопористый абразивный инструмент закрытой структуры на керамической связке, технология изготовления которого разработана в МГТУ “Станкин”. Этот инструмент отличается от традиционного тем, что при сочетании повышенной пористости до 80% (номера структуры 8...22), и твердости от ЧМ до СТ с рабочими скоростями до 120 м/с он дает возможность увеличения производительности процессов шлифования при одновременном снижении расхода абразивного материала. Высокопористые шлифовальные круги закрытой структуры показали себя как высокоэффективный инструмент при традиционных схемах шлифования конструкционных материалов, позволяющие повысить производительность обработки до 2...5 раз, а также при глубинной и скоростной обработки деталей из жаропрочных, магнитных и других материалов с повышением производительности до. 10 раз в сравнении с маятниковым шлифованием при одновременном снижении затрат до 5...8 раз. Понижен-