книги / Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей

при механической обработке для исклю­ чения вибрации и упругих деформаций лопаток под действием сил резания.

После заливки статор ("бочку") уста­ навливают на токарно-карусельный или токарно-лобовой станок, что определяется размерами "бочки", и растачивают.

В процессе обработки выдерживают размеры © ...© и ®...12, причем измере­ ние каждого контролируемого диаметра ведут от торца статора, используемого конструктором для простановки длиновых размеров. Выполнение данной операции практически полностью зависит от ква­ лификации рабочего, который выверяет "бочку" при установке на стол станка, то­ чит диаметры, измеряет их.

Для исключения дефектов обработку таких узлов осуществляют, как правило, под наблюдением технолога, а формируемые размеры проверяет контролер. Полученные фактические размеры внутренних диаметров каждой ступени заносят в паспорт узла и сопроводительную карту.

По окончании операции проводят выплавку мочевины, разборку и промывку деталей и окончательную сборку каждого направляющего ап­ парата, входящего в статор компрессора. При этом каждая из лопаток устанавливается в то положение, которое она занимала при механической обработке.

Заливка деталей быстротвердеющей массой и ее последующая вы­ плавка серьезно увеличивают технологический цикл обработки, снижают культуру производства. Поэтому более целесообразно выполнять такую операцию на вертикальных внутришлифовальных станках, например мод. IGV5NT/7NT японской фирмы Toya Koki (рис. 4.25).

Здесь на основании 1 неподвижно установлена вертикальная колон­ ка 2, имеющая продольные направляющие. На колонке 2 размещен про­ дольный суппорт 3 с вертикальными направляющими. Суппорт 3 выпол­ няет перемещение по оси X , на нем расположен вертикальный суппорт 4, осуществляющий перемещения по оси Z. На суппорте 4 смонтирована шлифовальная бабка 5 револьверного типа с осью вращения А. В шлифо­ вальной бабке размещены торцекруглошлифовальный шпиндель б и внутришлифовальный 7.

Возможность поворота шлифовальной бабки 5 вокруг оси А состав­ ляет до 60°, что позволяет работать в режиме внутреннего, круглого и торцового шлифования. Деталь при этом размещается на планшайбе или в патроне поворотного стола 8, находящегося на основании 1. Стол 8 в этом случае обеспечивает круговую подачу детали и может вращаться с частотой, регулируемой в широких пределах (20...1000 об/мин).

Режущая способность круга и геометрические размеры его режущей поверхности восстанавливаются с помощью устройства для правки 9, также размещенного на основании 1. Станки оснащены системой ЧПУ, позволяющей вести работу в автоматическом режиме.

Кроме того, в состав опций данного оборудования входят магазин шлифовальных кругов и измерительная головка, дающая возможность перед началом операции проверить совпадение базовых поверхностей детали с установочными элементами приспособления.

При обработке статора его устанавливают на горизонтальную план­ шайбу станка, выверяют ось "бочки", т.е добиваются ее совпадения с осью планшайбы станка; затем шлифуют внутренние диаметры. Возни­ кающие при шлифовании силы резания недостаточны для того, чтобы вызвать упругие деформации лопаток, собранных в статор, однако для предотвращения возможных вибраций целесообразно наложить на ло­ патки бандаж в виде резинового шнура.

Использование операций шлифования вместо растачивания сущест­ венно сокращает технологический цикл обработки, улучшает качество обрабатываемой поверхности и точность обработки, а применение обо­ рудования, описанного ранее, существенно повышает технологическую надежность процесса, гарантирует получение деталей требуемого качества.

Данные операции завершают процессы механической обработки ло­ паток, и теперь узлы, в которые установлены лопатки турбины и ком­ прессора, поступают на общую сборку изделия.

Глава 5

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ И КОМПРЕССОРА

Конструкция детали, используемые материалы и габаритные разме­ ры определяют типовую (групповую) технологию ее изготовления. Мно­ гообразие конструкций деталей объясняет существование большого чис­ ла технологий, имеющих принципиальные различия. Более того, при об­ работке однотипных деталей (с общими конструктивными признаками) могут быть использованы совершенно разные технологические процессы.

Создание оптимального технологического процесса в тех или иных конкретных условиях производства позволяет существенно снизить себе­ стоимость изготовления деталей ГТД, т.е. при разработке технологиче­ ского процесса должен выполняться технико-экономический анализ, подтверждающий правильность принятого решения.

Так, наиболее массовыми в ГТД являются лопатки компрессора вы­ сокого давления. Их конструктивный облик предполагает наличие одного хвостовика типа ласточкина хвоста и пера длиной до 120 мм с углом за­ крутки до 30°. В качестве заготовки таких лопаток используют точную штампованную деталь с припуском по перу 0,5... 1,0 мм. Механическую обработку выполняют по трем альтернативным вариантам со следующи­ ми основными операциями: вальцеванием, фрезерованием на станках с ЧПУ, электрохимической обработкой (ЭХО).

В качестве четвертого варианта можно применять технологию, где определяющим процессом изготовления проточной части лопаток явля­ ется шлифование на специальных копировальных ленточно­ шлифовальных станках.

Ввиду архаичности данной технологии и полной невозможности ее обслуживания и эксплуатации в условиях многономенклатурного произ­ водства эту технологию в сравнении не использовали.

Оптимальную технологию выбирают на основе технологической се­ бестоимости изготовления лопаток по каждому варианту. Технологиче­ ская себестоимость включает в себя затраты на:

- основные материалы, учтенные в расчетах по изготовлению заго­ товок;

Рис. 5.1. Диаграмма изменения себестоимости механической обработки лопаток в зависимости от объема выпуска деталей:

/- вальцевание; 2 - фрезерование на станке с ЧПУ; 3 - ЭХО

-заработную плату с начислениями;

-амортизацию оборудования;

-ремонт и содержание оборудования;

-инструмент;

-технологическую и контрольную оснастку;

- энергию, в том числе электрическую, сжатый воздух и т.д.; - ремонт и содержание производственных площадей.

Расчеты выполняли исходя из изменяющихся объемов производства от 1000 до 10 000 деталей в год. Результаты расчетов приведены на диа­ грамме, представленной на рис. 5.1.

В расчетах сравнивали затраты только на механическую обработку. Так, для одного и того же способа получения заготовок расходы, связан­ ные с материалом заготовки и способом ее получения, для всех сравни­ ваемых технологических процессов одинаковы. Представленные данные свидетельствуют о том, что все три сравниваемых технологических про­ цесса можно использовать в производстве, и все они при соответствую­ щих условиях могут иметь наилучшие экономические результаты. Эти условия определяются исключительно объемом производства.

К примеру, технологический процесс фрезерования проточной части наиболее эффективен в условиях мелкосерийного производства. При этом он достаточно дорог, так как велики отчисления на амортизацию и содержание оборудования. Рост себестоимости по этой технологии начи­

нается тогда, когда для изготовления деталей требуется дополнительное металлорежущее оборудование.

ЭХО проточной части лопаток наиболее целесообразна при серий­ ном производстве. Так, из программы видно, что при объеме выпуска до 3000 шт. в год ее себестоимость > 100 %. С ростом объемов производства себестоимость стремительно уменьшается. Это обусловлено тем, что появившаяся загрузка оборудования стабилизирует протекание процесса ЭХО, а также отсутствием перерывов, связанных с переналадкой обору­ дования, носящих длительный характер.

С появлением дублирующего оборудования процесс ЭХО отличает­ ся меньшей себестоимостью по сравнению с наименьшими значениями себестоимости технологии фрезерования. Это объясняется низкой стои­ мостью электрохимического оборудования по сравнению со станками для фрезерования проточной части.

Себестоимость технологического процесса вальцевания проточной части лопаток с ростом объемов производства ведет себя аналогично изменению себестоимости при ЭХО. Эффективность этой технологии по сравнению с двумя предыдущими способами обработки наступает при значительно больших объемах производства (порядка 80000... 100000 шт.

вгод).

Входе технико-экономического анализа технологий изготовления проточной части лопаток методами фрезерования на станках с ЧПУ, ЭХО и вальцеванием, нельзя не учитывать такого фактора, как технологиче­ ская надежность процесса. У процесса фрезерования лопаток на станках с ЧПУ она максимальна.

Здесь конструкторская документация выполняется в трехмерном ви­

де и предполагает наличие математической модели.

Собственно технолог, проектируя оснастку и режущий инструмент на основе данной модели, создает математические модели рабочего при­ способления и инструмента.

Программист объединяет все эти модели, создавая программу пере­ мещения инструмента и детали в ходе обработки. При этом он использу­ ет имеющуюся у него математическую модель станка, визуально прове­ ряя с помощью специальных программ возможность столкновения инст­ румента с узлами станка и приспособления. Здесь все этапы проектиро­ вания прозрачны, прогнозируемы, управляемы, поэтому наиболее легко внедряются в производство.

При отработке технологии корректируют режимы резания и про­ граммы перемещения инструмента и детали. Корректировку осуществ­

ляют с учетом стабильных (многократно повторяемых) деформаций заго­ товки и интенсивности износа инструмента. Длительность внедрения такой технологии на станке не более одной недели, весь этап технологи­ ческой подготовки, включающий в себя проектирование и изготовление оснастки инструмента, < 3 мес. Повторяемость геометрических размеров и качества поверхностного слоя детали практически 100 %-ная.

Внедрение технологии ЭХО и вальцевания носит более длительный характер, так как на формирование проточной части лопаток существен­ но влияют условия протекания процесса электрохимического растворе­ ния детали и ее пластического деформирования. Здесь многое зависит от опыта и профессионального навыка наладчика технологического обору­ дования.

Поэтому процесс доводки технологии от завершения технологиче­ ской подготовки до получения первой годной детали занимает несколько месяцев. Более того, стабильность повторения получаемой геометрии и качества поверхностного слоя деталей зависит от непрерывности работы оборудования. Перерывы в его работе, остановы приводят к изменению параметров процессов, что требует в дальнейшем его восстановления (наладки, часто очень длительной).

В связи с вышеизложенным ясно, что технология изготовления де­ талей одной и той же конструкции не является застывшим процессом. Она совершенствуется и даже изменяется полностью в зависимости от изменения условий производства. Последние определяются жизненным циклом изделия, а именно: освоением; серийным производством; сняти­ ем с производства (постоянным свертыванием производства, ремонтом деталей).

Каждому из этих этапов отвечают свои объемы изготовления лопа­ ток, а соответственно, и выбор технологического процесса, который в данный момент может быть наиболее эффективен. Но в любом случае групповая технология изготовления лопаток должна иметь некоторые общие операции, облегчающие переход с одного процесса на другой и гарантирующие (определяющие) качество деталей и их ресурс. Прежде всего это операции по созданию технологических баз и отделочные опе­ рации (полирование, упрочнение, нанесение покрытий). Они должны быть едиными в рамках рассмотренных здесь групповых технологий.

Рассмотренные в данной книге технологические процессы изготов­ ления основных деталей газотурбинных двигателей являются новым эта­ пом в развитии авиационного двигателестроения. В книге приведены четыре вида процессов изготовления основных деталей, а именно: рабо­ чих и сопловых лопаток турбины; рабочих и направляющих лопаток компрессоров высокого и низкого давления; открытых и полузакрытых крыльчаток; роторов турбокомпрессора. Каждый из технологических процессов состоит из этапов, блоков технологических операций, объеди­ ненных либо по функциональному назначению операций, либо по спосо­ бу механической или электрохимической обработки.

Так, технологические процессы изготовления лопаток турбины со­ держат три этапа, а именно: блок технологических операций, связанный с переходом от базовых точек заготовки к базовым поверхностям полу­ фабриката (брикета) для механической обработки; блок технологических операций по обработке присоединительных (сопрягаемых) поверхностей хвостовика и бандажной полки, в том числе цилиндрических; блок тех­ нологических операций электроэрозионной обработки (пазов, прожига отверстий, карманов и т.д.).

Технологические процессы изготовления лопаток компрессора включают в себя следующие этапы: технологические операции, связан­ ные с переходом от базовых точек штамповки к базовым поверхностям полуфабриката для обработки проточной части и хвостовика; блок тех­ нологических операций обработки проточной части; то же, обработки хвостовика; блок отделочных операций.

В технологических процессах изготовления лопаток турбины и ком­ прессора представлены различные варианты реализации того или иного этапа, что обусловлено конструктивными признаками детали и способом получения (видом) заготовки. Из них принципиальными являются пере­ ходы от базовых точек заготовки к базовым поверхностям полуфабриката в виде центровых отверстий, хвостовиков, плоскостей брикетов для лопа­ ток турбин и лопаток компрессора. Также принципиальны различные способы фрезерования проточной части лопаток компрессора в зависимости от их конструкции, материала, припуска на заготовке. Однако в любом слу­ чае обработка ведется на основе управляющих программ, разработанных по математическим моделям деталей с учетом их упругих деформаций.

Технологические операции изготовления моноколес также состоят из нескольких этапов, из которых наиболее подробно описан процесс обработки проточной части открытых и полузакрытых крыльчаток.

Управляющие программы обработки этих деталей, составленные на ос­ нове их математических моделей, существенно скорректированы услови­ ем обеспечения равновесного состояния полуфабриката.

Главной задачей технологических операций изготовления роторов турбокомпрессора является обеспечение постоянного балансирования ротора при сборке перед каждым этапом механической обработки.

Все представленные в книге технологические процессы применимы для многономенклатурного серийного производства, где используются многоцелевые машинообрабатывающие центры. Однако различные его этапы, основанные на принципе совмещения операций, могут быть реко­ мендованы и для технологических процессов крупносерийного производ­ ства. Этот принцип также оправдывает себя при переходе от существующих технологических мощностей по производству изделий одного-двух наименований к многономенклатурному производству.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Автоматизация технологии изготовления газотурбинных авиа­ ционных двигателей / В.Ф. Безъязычный, В.И. Крылов, В.А. Полетаев и др. М.: Машиностроение, 2005. 556 с.

2.Гречишников В.А., Маслов А.Р., Соломенцев Ю.М., Схиртладзе А.Г. Инструментальное обеспечение автоматизированного произ­ водства. М.: Высш. шк., 2001.

3.Драпкин Б.М., Силин С.С., Рыкунов Н.С. Влияние режимов шлифования на строение и состояние поверхностных слоев изделий // Вестник машиностроения. 1979. № 3. С. 58-59.

4.Елисеев Ю.С., Бойцов А.Г., Крымов В.В., Хворостухин Л.А. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2003. 510 с.

5.Коломиец В.В., Полупан Б.И. Алмазные правящие ролики при врезном шлифовании деталей машин. Киев.: Наукова думка, 1983. 144 с.

6.Крылов В.И., Полетаев В.А. Механическая обработка проточ­ ной части моноколес газотурбинных двигателей (ГТД) // Справочник. Инженерный журнал. 2004. № 6. С. 10-12.

7.Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2002. 375 с.

8.Левит М.Е., Рыженков В.М. Балансировка деталей и узлов. М.: Машиностроение, 1986. 248 с.

9.Оптимизация технологии глубинного шлифования / С.С. Силин,

Б.И. Леонов, В.А. Хрульков и др. / М.: Машиностроение, 1989. 120 с.

10.Основы технологии создания газотурбинных двигателей для ма­ гистральных самолетов / под ред. А.Г. Братухина, Ю.Е. Решетникова,

A.А. Иноземцева. М.: Авиатехформ, 1999.

11.Пат. № 2058863. Способ круговой электрохимической обработки / М.П. Ерочкин, Б.Л. Карпов, Л.Б. Уваров и др. // Бюл. 1996. № 12.

12.Пат. № 2242349. Устройство для установки и закрепления дета­ лей (варианты) / В.А. Полетаев, Ю.Н. Гущин // Бюл. 2004. № 35.

13.Пат. № 2247011. Способ обработки моноколес / В.И. Крылов,

B.А. Полетаев, Д.И. Волков // Бюл. 2005. № 6.

14.Пат. № 2261782. Способ закрепления лопаток газотурбинных

№10.С. 20-24.

16.Рахмарова М.С., Мирер Я.Г. Влияние технологических факто­ ров на надежность лопаток газовых турбин. М.: Машиностроение, 1966. 223 с.

17.Семенченко И.В., Мирер Я.Г. Повышение надежности лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 158 с.

18.Современные технологии в производстве газотурбинных двига­ телей / Под ред. А.Г. Браухина, Г.К. Язова, Б.Е. Карасева. М.: Машино­ строение, 1997. 407 с.

19.Соколова Л.С. Шлифование абразивны

силой прижима. М.: Спутник, 2005. 146 с.

20.Сулима А.М., Носков А.А., Серебренников Г.З. Основные технологии производства газотурбинных двигателей. М.: Машинострое­ ние, 1996. 480 с.

21.Технологическое обеспечение проектирования и производства газотурбинных двигателей / Е.Н. Богомолов, Л.Б. Уваров, Е.А. Антонов,

А.А.Жуков; под ред. Б.Н. Леонова и А.С. Новикова. Рыбинск, 2000.

407 с.

Вприложении приведены рекомендуемые режимы резания при обра­ ботке лопаток турбины из никелевых сплавов методом глубинного шлифования,

атакже при фрезеровании проточной части лопаток компрессора; открытых и полузакрытых крыльчаток.

Втабл. П1 сведены результаты исследований процесса плоского глу­ бинного шлифования сплавов на никелевой основе с содержанием Мо, \У, Сг 12...27 %. Расчеты выполнялись в Рыбинской государственной авиационной академии им. П.А. Соловьева канд. техн. наук И.А. Горбуновой. Рекомен­ дуемые режимы рассчитаны исходя из критерия бездефектного шлифования, в качестве которого принималось отсутствие прижогов на шлифуемой поверхно­ сти. Они определялись при плоском шлифовании инструментом следующей характеристики: кругом 25А10ПВМ 110К5 с размерами 450x25x203 мм; при попутном и встречном направлениях подачи деталей, а также с подачей смазочно­ охлаждающей жидкости поддавлением 0,45 МПа с расходом 160.. .200 л/мин.

Рекомендуемые в данной таблице значения режимов шлифования рас­ считаны с учетом 30%-ного запаса от своих критических значений, при кото­ рых вероятно появление шлифовальных трещин и прижогов на обрабатывае­ мой поверхности.

Втабл. П2 приведены результаты расчета режимов фрезерования про­ точной части лопаток компрессора из титановых сплавов. Расчеты выполня­ лись в Рыбинской государственной авиационной академии им. П.А. Соловье­ ва канд. техн. наук А.И. Лицевым. Рекомендуемые режимы определены из условия обеспечения одинаковой упругой деформации детали под действием сил фрезерования во всех сечениях лопаток - от периферии к хвостовику. Ре­ жимы даны для нескольких типовых конструкций рабочих лопаток компрес­ сора с длиной проточной части 150...480 мм. Рекомендуемая подача на зуб рассчитывалась для фрезерования проточной части стандартной фрезой со сферической режущей частью Л = 3,5 мм из твердого сплава марки НЮР с

геометрией режущей кромки у = 12°; а = 14° и скорости резания 120 м/мин. Приведенные в табл. П2 значения подачи на зуб в каждом сечении про­ точной части лопатки должны учитываться в программе ее обработки на станках с ЧПУ при условии ее базирования за хвостовик и технологический центр на бобышке со стороны проточной части лопатки.

В табл. ПЗ представлены рекомендуемые режимы фрезерования про­ точной части открытых и полузакрытых крыльчаток для следующих техно­ логических переходов: прорезки межлопаточных пазов; предварительного, получистового и чистового фрезерования проточной части. Рекомендуемые режимы сведены к единой геометрической форме проточной части крыльча­ ток и отличаются друг от друга только материалом детали, что позволяет их использовать в качестве оценочной информации об интенсивности процесса фрезерования.