Финишные технологии обработки деталей ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438:621.923.4

В. А. Богуслаев, А. Я. Качан, В. Ф. Мозговой ФИНИШНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ГТД

В работе представлены технологические особенности финишных технологий основных деталей ГТД, применяемых на ОАО «Мотор Сич».

Конкурентная способность, экономичность и безопасность полетов летательных аппаратов в значительной степени определяются ресурсом и надежностью авиационных двигателей, которые применяются на них в качестве основных силовых установок.

Ресурс и надежность авиационных двигателей определяются выносливостью рабочих лопаток компрессора и турбины, дисков роторных валов и другими ответственными и высоконагруженны-ми деталями, которые в процессе эксплуатации испытывают значительные знакопеременные и циклические нагрузки с большими частотами.

Одним из важных направлений повышения эксплуатационных характеристик указанных деталей на этапе их производства является разработка и внедрение прогрессивных финишных технологий, которые обеспечивают значительный вклад в качество изготовления изделия, а следовательно, и в повышение его ресурса и надежности [1, 2].

Цель работы — обобщить имеющийся на ОАО «Мотор Сич» опыт разработки и внедрения финишных технологий и оборудования для изготовления деталей ГТД.

Результаты работ и исследований

На ОАО «Мотор Сич» широкое распространение получили следующие финишные технологии обработки деталей ГТД: электроалмазное шлифование рабочих лопаток вентилятора, ленточное шлифование, глубинное шлифование хвостовиков и бандажных полок турбины, турбоаб-разивная обработка дисков, сварных барабанов и валов роторов компрессоров, а также ультразвуковое упрочнение.

Электроалмазное шлифование рабочих лопаток вентилятора

Разработано две технологические схемы электроалмазного шлифования пера крупногабаритной лопатки из титанового сплава ВТ3-1, которое выполняется после технологической операции фрезерования.

Шлифование производится профильными алмазными кругами (рис. 1) 1А 1300x127x20x5 АС 15...АС20400/315 М1-01 с односторонней (продольная строка) и двухсторонней обработкой (поперечная строка) (рис. 2).

© В. А. Богуслаев, А. Я. Качан, В. Ф. Мозговой, 2009

1 2

Рис. 1. Рабочий профиль алмазного круга 1— металлический диск; 2 — режущая поверхность

Рис. 2. Схема электроалмазного шлифования лопаток

1 — лопатка; 2, 3 — алмазный круг;

4, 5 — сопло подведения СОЖ

Двухстороннее электроалмазное шлифование пера вентиляторных лопаток в сравнении с односторонней обработкой повышает производительность в 2 раза и точность из-за компенсации усилий резания от двух алмазных кругов.

Создано специальное оборудование: модели ЗАШП-500 и ЗАШП-1000.

Ленточное шлифование аэродинамических поверхностей пера лопаток

Разработано две технологические схемы формообразования входных и выходных кромок пера абразивной лентой: свободной ветвью и на контактном ролике (рис. 3).

В процессе формообразования входных и выходных кромок пера лопатки абразивной лентой величина съема составляет 0,05......0,4 мм, погрешность формы — 0,03......0,15 мм, а шероховатость

поверхности кромки — Яа = 0,4 мкм. Производительность увеличивается в 5......20 раз по сравнению с ручной обработкой.

Созданы специальные станки моделей ЗЛШК-1000 и ЗЛШК-1000А.

Формообразование корневых участков отдельных лопаток абразивными лентами осуществляется одновременно со стороны спинки и корыта (рис. 4).

Точность обработки — 0,05......0,1 мм.

Производительность по сравнению с ручной обработкой повышается в 5......20 раз.

Рис. 3. Схема формообразования входных и выходных кромок пера лопатки абразивной лентой, огибающей контактный ролик

1 — перо лопатки; 2 — контактный ролик; 3 — абразивная лента; 4......9 — элементы схемы

Б

а 5 С

V

И1

^ А-А

Б-Б

В-В

Д-Д

Рис. 4. Схема формообразования корневых участков отдельных лопаток одновременно со стороны спинки и корыта 1, 2 — абразивная лента; 3, 4 — копирные элементы; 5 — перо лопатки

а

Глубинное шлифование хвостовиков и бандажных полок лопаток турбины

Сущность технологии глубинного шлифования состоит в удалении за один, два прохода полного припуска на обработку, величина которого может находиться в диапазоне от десятых долей до нескольких десятков миллиметров.

Наиболее широкое распространение глубинное шлифование получило при обработке отдельных, пересекающихся под различными углами, плоских и сложнопрофильных поверхностей (табл. 1).

Технология глубинного шлифования позволяет:

— повысить концентрацию технологических операций и за счет этого исключить негативное влияние технологической наследственности;

— повысить точность взаимного расположения разных участков сложнопрофильных поверхностей, их формы и геометрических параметров;

— повысить стабильность параметров качества поверхностного слоя;

— сократить трудоемкость изготовления лопаток в 2.. .2,5 раза;

— обеспечить полную автоматизацию цикла обработки.

Режимы глубинного шлифования «елочного» профиля хвостовика лопатки турбины из сплава ЖС6У-ВИ представлены в табл. 2.

Точность обработки — 8......10 квалитет.

Шероховатость поверхностей хвостовика после глубинного шлифования не превышает Яа = 0,8......1,2 мм.

В поверхностном слое «елочного» профиля хвостовика образуются остаточное напряжения сжатия в пределах от 75 до 125 МПа с глубиной распространения до 40......80 мкм.

Максимальная величина степени наклепа — 5......12%.

Глубина наклепанного слоя — 0,03......0,04 мм.

Таблица 1 — Классификация схем обработки хвостовиков и бандажных полок лопаток турбины методом глубинного шлифования

Таблица 2 — Режимы глубинного шлифования «елочного» профиля хвостовика лопаток турбины из сплава ЖС6У-ВИ

Число проходов Скорость круга Ур, м/с Скорость детали Уд, м/мин Глубина резания /, мм Продольная подача £ир, мм/об.кр Скорость правящего ролика Уд, м/с Направление шлифования

1 проход 25 60...75 3,5 0,5 18 попутное

2 проход 25 110...130 0,45 0,3 18 попутное

3 проход 27 150 0,05 - - попутное

Микроструктура стабильна и представляет собой твердый раствор с карбидным интерме-таллидным упрочнением.

Глубинное шлифование поверхностей хвостовиков лопаток турбины по сравнению с формообразованием этих поверхностей резанием повышает предел выносливости на 4,0......7,0%.

При необходимости дополнительной стабилизации и повышения предела выносливости хвостовиков лопаток турбин после глубинного шлифования выполняют стабилизирующую термообработку с последующим поверхностным упрочнением.

Технологическая наследственность напряженного состояния и микроструктуры в поверхностном слое в зависимости от вида обработки

Исследовалась технологическая наследственность после выполнения технологических операций обработки пера вентиляторной лопатки из титанового сплава ВТ3-1 в следующей последовательности: фрезерование + электроалмазное шлифование + ленточное шлифование + глянцевание сизалевыми щетками с абразивными пастами. Режимы обработки спинки и корыта пера лопатки соответствовали установленным для указанных технологических операций в серийном производстве.

Величина снимаемого припуска при электроалмазном шлифовании составила §1 = 0,4......0,5 мм.

Поэтому технологическая наследственность предыдущей операции фрезерования не оказывала влияния на распределение остаточных напряжений в поверхностном слое. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое в этом случае определяется электроалмазным шлифованием.

После электроалмазного шлифования на обработанной поверхности пера образуются растягивающие остаточные напряжения 20......40 МПа

с глубиной распространения до 5......10 мкм, а в

более глубоких слоях, расположенных от поверхности от 10 до 100 мкм, — остаточные напряжения сжатия. Послойный максимум остаточных напряжений сжатия составляет 260......320 МПа и расположен на глубине 20 мкм (рис. 5, а).

После операции электроалмазного шлифования выполнялось ленточное шлифование, съем припуска на котором составлял § = 0,1 мм. Поэтому после этой технологической операции проявляется технологическая наследственность предшествующего электроалмазного шлифования.

На поверхности корыта образуются остаточные напряжения растяжения, а на спинке — сжатия, что определяется технологической наследственностью (рис. 5, б). В более глубоких слоях материала, расположенных на расстоянии от 2 до 50 мкм, образуются остаточные напряжения сжа-

тия. Максимальные значения остаточных напряжений сжатия составляют 240......320 МПа и располагаются на глубине 5......10 мкм. Максимальное значение остаточных напряжений сжатия приблизилось к поверхности на 10 мкм.

Ст.

*4 0

-30

-160

-24 0 -320

т -а- -6- -Я—

I У

4 КОРЫТО

—■{——___ СПИНКА

1

40

80

1 20

200

Рис. 5. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое пера лопатки в зависимости от вида обработки

а — после электроалмазного шлифования; б — после ленточного шлифования; в — после глянцевания сизалевыми щетками

а

в

При глянцевании сизалевыми щетками поверхностей спинки и корыта снимался припуск 83 в диапазоне от 10 до 30 мкм. После глянцевания в поверхностном слое наблюдаются остаточные напряжения сжатия с максимальным значением 300......320 МПа на поверхности и глубиной

распространения до 80......100 мкм (рис. 5, в).

Технологическая наследственность предшествующих операций начинает проявляться, когда величина припуска, что удаляется на последующей операции, находится в области ее влияния.

Негативное влияние технологической наследственности возможно исключить путем увеличения величины припуска, что удаляется на последующей операции, на величину, необходимую для выхода из области этого влияния.

При этом на последующей технологической операции следует применять финишную обработку, которая в поверхностном слое образует сжимающие остаточные напряжения.

Следует также отметить, что на последней технологической операции финишной обработки, когда удаляемая величина припуска находится

в диапазоне 10......30 мкм, наиболее значительно

проявляется технологическая наследственность предшествующих операций. Неравномерность снятия припуска в указанном диапазоне приводит к значительной нестабильности величины остаточных напряжений в поверхностных слоях, что приводит к высокому уровню вариации выносливости при испытании лопаток на усталость.

Микроструктура поверхностного слоя аэродинамических поверхностей лопатки в зависимости от вида обработки

После фрезерования спинки и корыта пера рабочей вентиляторной лопатки из титанового сплава ВТ3-1 в поверхностном слое наблюдается текстура, что свидетельствует о высоком уровне остаточной деформации, распространяющейся на глубину до 30......40 мкм. При этом текстура в приповерхностном слое имеет четко выраженную направленность в направлении максимальной деформации под влиянием воздействия инструмента (рис. 6, а).

После электроалмазного шлифования в поверхностном слое спинки и корыта также наблюдается текстура, что свидетельствует о высоком уровне остаточной деформации, распространяющейся на глубину до 10......20 мкм (рис. 6, б).

Установлено, что при электроалмазном шлифовании пера лопатки на более производительных режимах могут возникать шлифовочные прижоги.

Ленточное шлифование пера лопатки, выполняемое после электроалмазного шлифования, создает микроструктуру в поверхностном слое без

следов пластической деформации и шлифовочных прижогов (рис. 6, в).

Глянцевание поверхностей пера лопатки си-залевыми щетками с абразивными пастами улучшает их микрогеометрию и микроструктуру верхних граничных слоев поверхностного слоя.

г

Рис. 6. Микроструктура поверхностного слоя аэродинамических поверхностей лопаток в зависимости от вида обработки

а — после фрезерования пера; б — после электроалмазного шлифования пера; в — после ленточного шлифования пера; г — после ленточного шлифования корневых участков

Турбоабразивная полировально-упрочняю-щая обработка дисков компрессора в псевдо-ожиженном абразиве

Обработка дисков компрессоров диаметром от 200 до 820 мм авиационных газотурбинных двигателей выполняется, в зависимости от их типоразмеров, на специальных турбоабразивных установках моделей АПС-350Б, АПС-600А, АПС-1000 и АПСБ-1000. Диск устанавливают на шпиндель установки с погружением в слой абразивного зерна на глубину 0,8......1,0 радиуса диска.

Обработку производят абразивным зерном электрокорунда нормального зернистого № 63.

Скорость вращениядисков составляет 15......23 м/с.

При этом в процессе обработки производят реверсирование вращения шпинделя детали.

Машинное время обработки для дисков из титановых сплавов (ВТ3-1, ВТ8, ВТ9) составляет 2......5 мин, а для дисков, изготовленных из жаропрочных сплавов (ЭИ-698-ВД и др.) — 4......8 мин.

Турбоабразивная обработка обеспечивает:

— снятие заусенец;

— скругление кромок до Я = 0,3......0,5 мм с

шероховатостью, равной Яа = 0,5......0,3 мкм;

— шероховатость поверхностей дисков после

турбоабразивной обработки — Яа = 0,7......0,5 мкм

при исходной после токарной — Яа = 2,5......1,6 мкм;

— в поверхностном слое полотна дисков из титановых сплавов ВТ3-1 и ВТ9 образуются остаточные напряжения сжатия стост = -(300......350)

МПа в сравнении с остаточными напряжениями растяжения стост = 100......200 МПа в этих же дисках после технологической операции точения.

Диски компрессора до обработки и после обработки в псевдоожиженном абразиве представлены на рис. 7.

б

Рис. 7. Диски компрессора а — до обработки; б — после обработки

У дисков компрессора из сплава ЭИ698-ВД после технологической операции точения в поверхностном слое полотна образуются остаточные

напряжения растяжения стост = 200......250 МПа,

которые распространяются на глубину25......30 мкм

с максимальным значением стост= 350 МПа. После турбоабразивной обработки этих дисков в поверхностном слое возникают остаточные сжимающие напряжения стост = -200 МПа, которые на глубине 15......18 мкм переходят в напряжение растяжения.

Турбоабразивная обработка дисков компрессора в псевдоожиженном абразиве увеличивает

циклическую долговечность дисков в 2,0......3,0

раза. «Живучесть» дисков повышается в 2 раза.

Повышение долговечности дисков обеспечивается за счет улучшения микрорельефа, снижения шероховатости поверхностей кромок и при-кромочных зон, а также создания благоприятных сжимающих остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое.

Результаты исследований шероховатости, качества геометрии скругления кромок и состояния поверхностного слоя дисков из различных материалов позволяют сделать вывод, что турбоабразивная обработка может применяться и как технологическая операция упрочняющей финишной обработки деталей авиадвигателей.

Турбоабразивная обработка сварных барабанов роторов компрессоров ГТД

После сварки дисков в барабаны выполняют последующую термообработку для снятия термических напряжений, что, в зависимости от режимов ее проведения, частично или полностью устраняет эффект от предыдущего их упрочнения.

Схема обработки сварных барабанов роторов компрессоров ГТД представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема турбоабразивной обработки сварных барабанов роторов компрессоров ГТД

1 — барабан ротора компрессора; 2 — шпиндель; 3 — рабочая камера; 4 — псевдоожиженный абразив; 5 — пазы дисков; 6 — воздушные сопла

Упрочняющую обработку осуществляют зерном электрокорунда нормального в течение 3......5 мин. Шероховатость поверхностей после обработки составляет Яа = 0,8......0,5 мкм, уровень

остаточных напряжений сжатия, а также циклическая долговечность и «живучесть» дисков имеют такие же значения величин, что и при турбоабра-зивной обработке отдельных дисков до их сварки в барабан.

При обработке ремонтных барабанов КВД окисная пленка и нагар удаляются за 90......120 с.

Турбоабразивная обработка позволяет производить повторное упрочнение ремонтных деталей, в том числе и сварных барабанов, с целью продления назначенного ресурса.

Обработка пустотелых валов в псевдоожижен-ном абразиве

Одновременная обработка внешних и внутренних поверхностей стенок валов производится в соответствии со схемой, представленной на рис. 9.

После обработки пустотелых валов КВД из сплава ЭИ437БУ-ВД в псевдоожиженном абразиве обеспечивается:

— шероховатость поверхностей, Яа=0,5......0,6 мкм;

— остаточное напряжение сжатия, стост = -(390......410) МПа;

— предел выносливости ст^ = 350......370 МПа.

Фрагменты вала КВД до и после обработки

в псевдоожиженном абразиве представлены на рис. 10.

Рис. 9. Технологическая схема обработки пустотелого вала

1 — обрабатываемый вал; 2 — шпиндель; 3 — рабочая камера; 4 — специальная технологическая оснастка; 5 — камера; 6 — воздухоразделительная решетка; 7 — вентилятор; 8 — псевдоожиженный абразив; 9 — «абразивное кольцо»; 10, 11 — сопла; 12 — кривошипно-шатунный механизм; 13 — регулятор давления; 14 — окно

I А

Рис. 10. Фрагменты вала КВД до и после обработки в псевдоожиженном абразиве 1 — после токарной обработки; 2 — после ПСА

Упрочнение деталей авиационных газотурбинных двигателей шариками в ультразвуковом поле

На ОАО «Мотор Сич» упрочняются стальными шариками в ультразвуковом поле более 275 наименований деталей сложной конструкции — это лопатки компрессора и турбины, диски компрессора и турбины, трактовые поверхности центробежных и осевых моноколес, зубчатые колеса, шлицевые поверхности валов и др.

Основными технологическими особенностями упрочнения деталей ГТД шариками в ультразвуковом поле являются:

— в качестве рабочих тел применяют стальные шарики из материала ШХ15 или нержавеющей стали диаметром 0,4......3,0 мм;

— загрузка шариков при упрочнении пера лопаток находится в пределах 200......1000 г, а при

упрочнении их хвостовиков — 30......60 г;

— время упрочнения пера лопаток составляет 4......10 мин, а хвостовиков — 20......45 с;

— количество одновременно упрочняемых лопаток — 10......60 штук;

— количество смачивающей жидкости в рабочем объеме находится в пределах 4......10 мл;

— частота колебаний преобразователя —

16......22 кГц, а амплитуда колебаний излучающей

поверхности 10......25 мкм.

Установка для ультразвукового упрочнения и барабан компрессора представлены на рис. 11.

б

Рис. 11. Установка (а) для ультразвукового упрочнения и барабан компрессора (б)

В процессе ультразвукового упрочнения в поверхностном слое несущих поверхностей деталей формируются остаточные напряжения сжатия стост = -(250.....550) МПа, максимум которых

находится на глубине 20......40 мкм.

Основной особенностью профилограммы поверхностей после ультразвукового упрочнения, в сравнении с их предыдущим шлифованием, является увеличение радиуса впадин микронеровностей, что приводит к снижению величины технологической концентрации напряжений.

Глубина пластически деформированного слоя изменяется в пределах 15......35 мкм.

Микротвердость поверхностного слоя после ультразвукового упрочнения повышается. Предел выносливости после ультразвукового упрочнения деталей увеличивается на 23......40%.

Выводы

1. В работе представлены основные технологические особенности электроалмазного, ленточного и глубинного шлифования деталей ГТД.

2. Показано влияние видов обработки пера рабочей лопатки вентилятора из титанового сплава ВТ3-1 на технологическую наследственность напряженного состояния и микроструктуру в поверхностном слое несущих поверхностей.

3. Представлены технологические возможности турбоабразивной полировально-упрочняющей обработки дисков, сварных барабанов и валов роторов компрессоров ГТД.

4. Раскрыты основные технологические особенности упрочнения деталей ГТД шариками в ультразвуковом поле.

Перечень ссылок

1. Технология производства авиационных двигателей : монография / [Богуслаев В. А., Качан А. Я., Мозговой В. Ф., Коренгвский Е Я.]. — Запорожье : ОАО «Мотор Сич», 2000. — 945 с.

2. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД : монография. Ч. I. Лопатки компрессора и вентилятора / [Богуслаев В. А., Муравченко Ф. М., Жеманюк П. Д. и др.]. — Запорожье : ОАО «Мотор Сич», 2003. — 396 с.

Поступила в редакцию 25.12.2008

У po6omi представлено технологЫт особливостi фтшних технологш основных деталей ГТД, як застосовують на ВАТ«Мотор Сч».

The article provides technological particularities of finish technologies applied by Motor Sich JSC to basic components of gas turbine engines.