|
Основным направлением в разработке технологии для создания газотурбинного
двигателя (ГТД) нового поколения является формирование опережающего научно-технического
задела, обеспечивающего сокращение в 3…4 раза сроков и стоимости этапов
разработки и освоения производства двигателя.
Основу технологического задела для создания перспективных ГТД должны составлять
работы, направленные на разработку технологических процессов создания
высокотемпературных легких турбокомпрессоров; вентилятора с блиск-ступенями;
элементов статора из композиционных материалов на полимерной и металлической
матрицах; сегментной жаровой трубы; щёточных уплотнений; гибридных и керамических
подшипников качения, рабочих лопаток турбин, в том числе охлаждаемых из
интерметаллидов на основе никеля и ниобия; широкоходных лопаток вентилятора,
блисков компрессоров из композиционного материала; элементов сопла и форсажной
камеры из композитов на керамической матрице; экологически чистых высокотемпературных
двустенных камер сгорания большого ресурса; разработку новых ресурсосберегающих
технологий и высокопроизводительного оборудования с целью получения заготовок
из различных, в том числе труднообрабатываемых, материалов; новых высокоэффективных
экологически чистых технологий для нанесения многофункциональных, в том
числе термобарьерных, покрытий для рабочих и сопловых лопаток турбин,
створок и экранов сопла; перспективных технологий получения неразъемных
соединений роторных и корпусных конструкций методами сварки и пайки; технологии
восстановления повреждений монокристаллических отливок лопаток ТВД и блоков
сопловых лопаток с сохранением монокристальности, ремонт блисков вентиляторов
компрессоров, турбин и др.
Способность промышленности в современных условиях эффективно развиваться
определяется возможностью сокращения сроков проектирования новых изделий
и разработки прогрессивных технологических процессов для их изготовления.
Одним из важных направлений в этом процессе является интеграция систем
автоматизированного проектирования и автоматизированной технологической
подготовки производства новых газотурбинных двигателей.
Эффективность системного подхода к решению задач технологической подготовки
и производства деталей из листовых материалов и труб можно показать на
примере работы автоматизированного лазерного технологического комплекса
BYSTAR-3015 (фирмы BYSTRONIC, Швейцария), внешний вид которого показан
на рис. 1. Толщина разрезаемого металла для сталей - до 20 мм, алюминиевых
сплавов, титана - 4…6 мм. Зона обработки 3000x1500 мм. Диаметр обрабатываемых
трубных заготовок - до 340 мм. Точность обработки составляет ±0,1 мм/м
при скорости резания до 50 м/мин. СС-лазер мощностью 3000 Вт работает
в различных режимах: непрерывный, генерация суперимпульсов, нормальный
импульсный режим. Перевод лазера из одного режима работы в другой в процессе
раскроя выполняется автоматической системой программного управления. Лазерное
излучение подается из стационарного резонатора через систему зеркал в
подвижную режущую головку. Сфокусированный луч режет неподвижное изделие,
масса которого не влияет на точность и динамику процесса. Жесткая система
крепления резака и фокусирующая система приводятся в движение непосредственно
парой: зубчатая рейка - шестерня без дополнительных редукторов, что позволяет
работать с высокими ускорениями и сократить общее время обработки при
высокой точности. Загрузка стола листовым материалом осуществляется автоматически
с помощью манипулятора.
Два стола челночного типа позволяют максимально использовать время работы
лазерного комплекса и, тем самым, существенно повысить производительность.
После окончания процесса раскроя разрезанный лист автоматически переносится
челночным столом в зону разгрузки. Встроенный конвейер удаляет мелкие
фрагменты, которые опускаются на него через решетку стола. В состав программного
обеспечения лазерного технологического комплекса встроены специальные
модули, позволяющие производить обмен информацией с абонентами компьютерной
сети предприятия.
Важным направлением в создании научно-технологического задела является
разработка новых технологий получения высококачественных заготовок дисков
турбины и компрессора. Традиционные методы получения заготовок дисков
штамповкой на молотах и прессах не являются эффективными из-за больших
потерь на напуски, припуски и облой. Изотермическая штамповка позволяет
увеличить коэффициент использования материала и точность размеров дисков.
Однако данный метод требует применения энергоемкого оборудования и металлоемкого
штампового инструмента для каждого типоразмера диска. Кроме того, в последнем
случае применяются блоки нагрева, отличающиеся высокой стоимостью и энергоемкостью.
Применение методов локального формообразования в изотермических условиях
с использованием эффекта сверхпластичности существенно расширяет технологические
возможности процесса, в том числе за счет резкого снижения мощности оборудования,
трудозатрат и материалов заготовок. Анализ существующих методов формообразования,
свойств получаемых заготовок позволил рекомендовать для промышленного
освоения метод изотермической раскатки дисков на стане АЛРД-800.
На стане АЛРД-800 осуществляется процесс раскатки дисков в режиме сверхпластичности.
Исходной заготовкой является шайба с нанесенным покрытием типа ЭВТ35,
с подготовленной ультрамелкозернистой структурой. Процесс формообразования
диска осуществляется в нагретой печи. Существующая конструкция стана АЛРД-800
позволяет устанавливать заготовку в нагретую печь с помощью манипулятора,
который способен обеспечить захват заготовки со специально предусмотренного
для этих целей стапеля из дополнительных печей для предварительного нагрева.
В этом случае время прогревания заготовки сокращается до 10...20 минут.
Нагрев осуществляется от тиристорного регулятора, ступенчато или плавно,
до температуры деформации 800...1200 °С и выдерживают при этой температуре
до полного прогревания заготовки по всему объему. После предварительного
нагрева заготовку перемещают в печь для формообразования и зажимают между
двумя шпинделями. Раскатные ролики устанавливают в исходную позицию, т.е.
подводят к раскатываемой заготовке до касания и отводят по двум основным
координатам с учетом возможного температурного расширения, удлинения роликов
и перемещения шпинделей при опрессовке. После выравнивания температуры
в печи осуществляется опрессовка заготовки пинолями, окончательный подвод
роликов в исходную позицию, заготовке придается холостое вращательное
движение и одной или двумя парами роликов осуществляется формообразование.
Процесс раскатки может осуществляться поперечным и продольным перемещением
роликов одновременно или по отдельности. При раскатке обеспечивается подъем
реборд, лабиринтных уплотнений, оформление полотна и обода диска. После
окончательного формообразования заготовки ролики выводятся за пределы
заготовки диска, а сама заготовка, закрепленная на оправке, удаляется
манипулятором из зоны деформации после разжима шпинделей.
Изотермическая раскатка обеспечивает получение дисков, наружный диаметр
которых в 1,5...2 раза превышает диаметр заготовки. Использование эффекта
сверхпластичности, благоприятная схема напряженно-деформированного состояния
в очаге деформации, способствуют увеличению технологической пластичности
и улучшению качества изделий. Это особенно важно при деформировании сплавов
с ограниченным ресурсом пластичности и узким температурным интервалом
горячей обработки. Экономичность изделия определяется возможностью управления
поперечными размерами в широком диапазоне их соотношений и получения профиля,
максимально приближенного по форме и размерам к окончательной детали с
минимальными отходами. Требования к деталям, подлежащим обработке на линии:
Наименование деталей: диски турбин и компрессоров из титановых и жаропрочных
сплавов на основе никеля и железа, включая порошковые сплавы.
Предельные параметры дисков:
- наружный диаметр - 400...800 мм;
- высота (толщина) ступицы - 20...150 мм;
- высота (толщина) полотна - 10...60 мм;
- масса заготовок - 50...250 кг.
В перспективных изделиях повышаются требования к лопаткам и ставятся новые
задачи в технологии их обработки. Так, например, появилась необходимость
обработки лопаток трехмерного течения, которые имеют сложную пространственную
конфигурацию, высокую геометрическую точность и низкую жесткость конструкции,
что делает невозможным обработку этих лопаток механическими методами.
Перспективным с этой точки зрения является применение новых методов электрохимической
обработки (ЭХО). Речь идет об электрохимической обработке с применением
импульсных режимов и новых технологических схем. Для получения проточной
части лопаток методом ЭХО применяют "круговую схему обработки",
подачу электродов-инструментов под углом. Проведенные в последние годы
исследования показывают принципиальную возможность достижения высокой
точности копирования ЭХО и получения высокого качества поверхности, практически
без измененного слоя (0,5…2,0 мкм). Однако для широкой промышленной реализации
этих процессов требуется оборудование нового поколения с повышенной конструктивной
точностью, специальные импульсные источники питания, новые технологические
схемы обработки.
Учитывая вышеизложенное, совместно со специалистами Казанского моторостроительного
производственного объединения был создан станок для электрохимической
обработки лопаток.
Станок оснащен импульсным источником питания, системами автоматического
управления процессами обработки и переработки и утилизация шлама. Конструктивными
особенностями станка является высокая точность подачи электродов. Для
обеспечения возможности отработки всей проточной части лопаток рабочие
привода должны располагаться под углом к оси лопатки.
Точность позиционирования электродов должна быть не хуже 0,005 мм. Эта
точность достигается последовательностью построения моделей электродов
с применением CAD/CAM системы Cimatron. Модели электродов строятся исходя
из следующих предпосылок:
При обработке на станке электроды формируют одновременно окончательный
по точности профиль пера со стороны спинки и корыта, трактовую поверхность
(полку) лопатки и радиус сопряжения пера с полкой.
Для получения требуемой шероховатости и внешнего вида поверхности после
операции ЭХО возможно применение безразмерной полировки со снятием припуска
до 0,01 мм.
Точность по профилю пера обрабатываемых лопаток - ±0,03 мм.
Точность по полке - ±0,1 мм.
Получение кромок требуемой точности при их радиусах меньше 0,8…1,0 мм
невозможно, поэтому при малых радиусах кромок делается расширение по хорде
лопатки на 0,5…1,2 мм и после операции ЭХО кромки лопаток дорабатываются
механически. Величина расширения уточняется при корректировке профиля.
Номинальный рабочий зазор между электродами и обрабатываемым профилем
- 0,2 мм. Исходя из этого, первичная модель электродов строится по эквидистанте
к обрабатываемому профилю на величину 0,2 мм. Однако в силу нестабильности
процесса ЭХО - большое соотношение максимального и минимального припуска
(Zmax/Zmin), недостаточный припуск для выравнивания, влияние гидродинамики
течения электролита в межэлектродном промежутке приводят к тому, что качественная
лопатка при применении электродов, построенных с учетом только эквидистанты,
не получается. Поэтому требуется корректировки профиля электродов по результатам
пробных обработок лопаток.
Следует учитывать, что на станке с ЧПУ не могут быть обработаны с требуемой
точностью участки модели, на которых радиус кривизны вогнутых поверхностей
меньше радиуса обрабатывающего инструмента.
Одной из тенденций в авиационном двигателестроении является применение
рабочих моноколес (рис. 2), которые имеют существенные преимущества по
сравнению со сборными конструкциями. Вместе с тем возникает проблема с
ремонтом моноколес.
Получение лопаток высокой точности ставит задачу контроля их геометрических
параметров. Обычно контроль проводят с помощью визуальных шаблонных приборов
и прибора типа ПОМКЛ. На каждую операцию с изменением припуска изготавливается
соответствующий шаблонный прибор. Погрешность измерений шаблонных приборов
составляет 0,03…0,05 мм, а прибора типа ПОМКЛ - до 0,1 мм. Ресурс шаблонных
приборов - от полугода до 2 лет. Обычно изготавливают 2-3 комплекта шаблонных
приборов на каждый типоразмер, что пропорционально увеличивает затраты.
Кроме того, для проверки самих шаблонов дополнительно требуются контршаблоны.
Общее количество шаблонных приборов на один двигатель доходит до сотен
комплектов.
Совместно с фирмой "ОПТЭЛ" (Уфа) создаются и внедряются на предприятии
лазерные системы, позволяющие контролировать геометрию лопаток после круговой
электрохимической обработки.
Системы предназначены для бесконтактных измерений профиля геометрических
параметров практически любых изделий сложной формы, выполненных из различных
материалов, в том числе из хрупких и мягких: компрессорных и турбинных
лопаток ГТД, пресс-форм, стержней, восковых и гипсовых моделей и т.д.
Системы "ОПТЭЛ" имеют в своем составе управляемые от компьютера
высокоточные координатный и поворотный столы и развитое специализированное
программное обеспечение для контроля геометрии, изделий сложной формы.
Последние версии систем также обеспечивают точные измерения малых радиусов
кромок (с радиусами менее 1...0,03 мм) и проведение автоматических измерений
за одну установку лопаток при их автоматическом вращении.
Системы "ОПТЭЛ" характеризуются:
- возможностью проводить бесконтактные быстрые автоматические измерения
трехмерных объектов;
- автоматизацией трудоемких измерений, исключением субъективности и обеспечением
100 % контроля ответственных изделий ГТД с регистрацией результатов в
базе данных;
- количеством контролируемых точек - от одной до тысячи;
- время измерения одного сечения - до 2…5 с;
- диапазон измерений - до 1800x929x300 мм;
- высокой разрешающей способностью - 0,001 мм;
- высокой точностью - погрешность менее 0,01 мм;
- высокой гибкостью: измерения сотен типоразмеров изделий проводятся в
соответствии с электронным чертежом (математической моделью) изделия с
временем перехода на другой типоразмер менее 1 мин.
Высокоточные и быстродействующие системы "ОПТЭЛ-Л", включающие
в себя специализированное математическое и программное обеспечение для
отечественных пользователей, выполняют измерение фактических размеров
профиля изделий и сравнивают с заданными по чертежу (математической моделью),
с оптимизацией определения смещения и углового разворота профиля сечений,
с созданием базы данных.
При контроле лопаток автоматически измеряются профили пера спинки и корыта,
а также входных и выходных кромок, включая определение их радиусов (от
0,02…0,03 мм). Кроме этого, имеется режим измерения геометрических параметров
и замковой части (хвостовика) лопатки.
Автоматическое базирование к координатным осям изделий в зависимости от
конкретного исполнения может осуществляться как по базирующим элементам,
так и по базовым поверхностям изделия, например, по замку (хвостовику)
лопатки, а также по эталонным точкам или сечениям фактического профиля
(например, для турбинных лопаток - спинки, корыта, среднего между ними
или точкам полок).
Системы позволяют измерять смещения и развороты профилей сечений, а также
форму и радиусы входных и выходных кромок изделий с выдачей этих значений
на экране в текстовом и графическом видах. Результаты измерений отображаются
в наглядной форме на дисплее, а также могут быть оформлены на бумаге в
нужном для пользователя виде (графики, таблицы, протоколы измерений, статистические
данные, отчетные формы и т.д.). Результаты измерений автоматически сохраняются
в памяти компьютера в виде файла, что позволяет создать базу данных по
различным изделиям. Кроме этого возможно проведение и сопоставление повторных
измерений изделий после дополнительных воздействий, в том числе обработки,
механических нагрузок и пробной эксплуатации.
Таким образом, технология изготовления лопаток методом круговой ЭХО отвечает
современным требованиям автоматизации производства и вписывается в CALS-технологию.
На начальных этапах электроэрозионная обработка (ЭЭО) получила наиболее
широкое применение в инструментальном производстве при изготовлении ковочных
и вырубных штампов, пресс-форм, различного инструмента.
Однако в настоящее время ЭЭО все шире внедряется в основном производстве
ГТД. Это обусловлено несколькими причинами:
- по своим физико-механическим свойствам современные конструкционные жаропрочные
материалы приближаются к свойствам инструментальных материалов, стойкость
режущего инструмента, применяемого для обработки деталей, мала;
- возможность получения элементов конструкций двигателя, которые невозможно
получить другими методами обработки;
- для повышения тяги, ресурса ГТД в их конструкции находят все возрастающее
применение охлаждаемые перфорированные детали;
- резкое улучшение технических характеристик электроэрозионного оборудования,
позволяющих получать высокую точность и качество обрабатываемых деталей;
- автономность работы оборудования, т.е. будучи запрограммирован один
раз, станок не требует присутствия оператора.
Наиболее характерным примером разработанного и внедренного технологического
процесса при обработке деталей ГТД является высокопроизводительная струйная
электроэрозионная обработка глубоких отверстий диаметром 0,2…2,0 мм.
Для повышения эффективности охлаждения, отверстия в лопатках имеют тенденцию
к уменьшению диаметров до 0,2…0,5 мм, увеличению соотношения глубины отверстия
к диаметру и вход отверстий в обрабатываемую поверхность осуществляется
под острыми углами.
Традиционными методами ЭЭО изготавливают отверстия диаметром 0,4…1,2 мм
при соотношении глубины к диаметру менее 10. Поэтому эти методы ЭЭО не
могут быть использованы для получения глубоких отверстий малого диаметра.
Другие методы (в том числе механические) также не могут быть применены
для этих целей, учитывая геометрические размеры, расположение отверстий
и то, что материалы деталей двигателей имеют высокие физико-механические
характеристики.
В результате проведенных исследований были определены условия обработки
глубоких отверстий (до 30…50 мм) диаметром 0,2…2,0 мм в указанных деталях
методом струйной электроэрозионной обработки.
Суть струйной ЭЭО заключается в электроэрозионной обработке глубоких отверстий
трубчатыми электродами, через которые прокачивается диэлектрическая жидкость
под высоким давлением. В качестве рабочей жидкости используются диэлектрические
жидкости на водной основе или на основе углеводородного сырья. Это позволяет
получать наряду с высокой производительностью хорошее качество поверхности.
Анализ существующих конструктивных решений и технологических процессов
в производстве ГТД показал, что одним из путей повышения качества и технологичности
конструкций, коэффициента использования металла, снижения трудоемкости
изготовления изделий является применение сварных и паяных конструкций.
Так, например, общая протяженность сварных и паяных швов в современном
ГТД составляет более 1000 м, поэтому их высокое качество во многом определяет
ресурс и надежность двигателя.
При производстве роторных конструкций из жаропрочных титановых и никелевых
сплавов успешно используется электронно-лучевая сварка как на отечественном
оборудовании, так и на автоматизированных комплексах типа EBOCAM-KS120-G150K
фирмы "Штайгервальд-Штральтехник" (Германия). ЭЛС благодаря
возможности достижения высокой плотности энергии в пятне нагрева, надежной
вакуумной защите металла сварочной ванны, малому объему расплавленного
металла, кратковременности теплового воздействия при сварке обеспечивает
незначительные деформации соединяемых деталей и имеет значительные преимущества
по сравнению с традиционными методами сварки плавлением. Однако с уменьшением
размеров новых двигателей возникают проблемы с удалением корневой дефектной
части швов из-за ее труднодоступности. Таким образом, одной из задач получения
неразъемных соединений дисков роторов перспективных ГТД является разработка
технологии ЭЛС с формированием обратного валика без последующей механической
обработки корня шва.
Для более надежного формирования обратного валика швов роторов из титановых
сплавов типа ВТ9 и ВТ20 толщиной 5…16 мм использовалась сварка горизонтальным
пучком электронов в горизонтальной плоскости на сварочной установке EBOCAM-KS120-G150K
с ускоряющим напряжением до 150 кВ.
Ремонт деталей и узлов ГТД является одним из важных направлений использования
различных методов сварки и пайки. Однако применение сварки в процессе
ремонта требует последующей термической обработки для снятия остаточных
напряжений и для получения необходимых механических свойств. Как показывает
практика, общая печная термическая обработка не всегда возможна из-за
больших габаритов изделий, нарушения геометрических размеров конструкций.
Данная проблема может быть решена применением локальной термической обработки
электронным лучом.
На рис. 3 показан внешний вид ротора компрессора газотурбинного двигателя
ДЖ-59 из жаропрочной стали типа 13Х11Н2В2МФ (ЭИ961) после восстановления
гребешков лабиринтных уплотнений методом наплавки и последующего отжига
электронным лучом на установке ЭЛУ-20.
Величина наплавляемого слоя составляет 6 мм при толщине стенки ротора
4 мм. Присадочный материал - ХН60ВТ (ВЖ98). Учитывая то, что восстановление
гребешков лабиринтных уплотнений должно осуществляться без разборки ротора,
с жесткими требованиями к его геометрическим размерам, к уровню остаточных
напряжений и качеству окончательно обработанных рабочих поверхностей -
общую термообработку проводить было нельзя.
Современные технологии предлагают в зависимости от расположения и размеров
дефектов различные способы ремонта: методами аргонодуговой, электронно-лучевой
и лазерной сварки, а также возвратно-поступательной сварки трением. Однако
следует признать, что сегодня отсутствует надежная промышленная технология
ремонта моноколес, что связано с их сложной геометрией и необходимостью
использования дорогостоящего уникального оборудования.
Как известно, важное место в производстве авиационных двигателей занимают
процессы нанесения уплотнительных и теплозащитных покрытий, качество нанесения
которых во многом определяется квалификацией оператора. Поэтому одним
из основных направления повышения качества покрытий и снижения трудоемкости
изготовления деталей является использование автоматизированных комплексов
для плазменного напыления (рис. 4) с применением роботизированных манипуляторов
(рис. 5).
Все изложенное дает основание считать, что разработка и освоение в производстве
газотурбинных двигателей прогрессивных технологических процессов является
необходимым условием создания наукоемкой продукции, в том числе авиационных
двигателей пятого и последующих поколений.
|
