CC BY
80
УДК 621.452
ВЛИЯНИЕ НАУКОЁМКИХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРОИЗВОДСТВЕННУЮ ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
© 2012 С. Н. Коденцев1, Г. А. Сухочев2
конструкторское бюро химической автоматики, г. Воронеж 2Воронежский государственный технический университет
Приведено принципиальное описание используемых разработчиком для этих целей прогрессивных кон-структорско-технологических решений.
Нетрадиционная технология, ракетный двигатель, технологичность, опытный образец, конструктор-ско-технологическое решение.
Введение
В настоящее время отечественная промышленность имеет многолетний задел по использованию наукоёмких технологий при создании ракетных двигателей и систем, их испытаниях, транспортировании на стартовые комплексы и управлении их наземным, орбитальным или межпланетным позиционированием. Создание такого наукоёмкого изделия, как жидкостный ракетный двигатель - уникальная конструкторско-техноло-гическая задача с использованием для этого передовых технических, зачастую ещё не освоенных в производстве, конструкторско-технологических решений для достижения приоритетного в космонавтике технического эффекта: удельной тяги, полезной нагрузки.
Технологические направления, традиционные для ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (ОАО КБХА) в течение последних десятилетий: вакуумное точное литьё по выплавляемым моделям; гранульная металлургия, использующая горячее изоста-тическое прессование; высокоточная механическая обработка на станках с ЧПУ; термовакуумные теплозащитные и коррозионно-стойкие покрытия; электронно-лучевая перфорация; электроэрозионная обработка; гидро - и газодинамические, вибрационные и климатические испытания; высокочастотная балансировка роторов; лабораторные металловедческие и метрологические исследования; параллельная и независимая сборка отдельных агрегатов и блоков; холодные прочностные и параметрические испытания агрегатов. Такие технологические решения по-
зволяли решать задачи создания опытных образцов ракетных двигателей в установленные сроки только затратным методом, так как все они отличались довольно низкой технологичностью, имели низкий коэффициент оснащённости. Высокие технические характеристики двигателей последнего поколения определили необходимость внедрения новых конструкторско-технологических решений для обеспечения высоких удельных энергетических параметров и минимальной массы двигателей. Особенно актуально максимально возможное снижение затрат труда, материалов и энергии на всех этапах жизненного цикла изделий, включая обслуживание и ремонт у потребителя.
Конструктивно-технологические решения
На начальном этапе разработки возможности освоения новых изделий в определяющей мере зависят от сроков технологической подготовки, изготовления и испытания. Поэтому решающую роль в обеспечении производственной технологичности опытных образцов сыграла разработка новых нетрадиционных методов обработки перспективных материалов с использованием комбинированных процессов. Комбинированные методы обработки позволяют проводить процессы формообразования в труднодоступных местах без использования неоправданно трудоёмких «обходных технологий» за счёт сочетания воздействий различного рода (электрических, плазменных, лучевых, химико-термических) на обрабатываемую поверхность. Применение наукоём-
ких технологий позволяет улучшать технологичность отдельных конструктивных элементов, формируя уникальные проблемно-ориентированные конструктивно-технологические решения.
Наиболее эффективные технические решения прошли промышленную апробацию и внедрены при создании ряда изделий разработки ОАО КБХА. Так, высокотемпературное газостатическое уплотнение отливок для «залечивания» дефектов структуры материала, в том числе литейных дефектов [1, 2], позволило перевести ряд штампуемых корпусных заготовок на точное литьё по выплавляемым моделям, значительно сократив их металлоёмкость, трудоёмкость последующей механической обработки и доработки по устранению негерметичности отливок.
Освоение процессов профилирования проточных сечений комбинированной обработкой привело к созданию высокоэкономичных форсунок со стабильным распылом топливных компонентов при минимальном количестве дополнительных настроечных проливок и доработок [3]. На форсунках после первоначального получения отверстий лезвийным инструментом осуществляют струйную электрохимическую обработку (ЭХО), включающую подачу токопроводя-щей жидкости через обрабатываемые отверстия. Затем включают ток и выдерживают на установленном режиме время, необходимое для получения сечения отверстия, достаточного для достижения заданного расхода. Расчётным путем с экспериментальным подтверждением для конкретных типоразмеров форсунок установлены режимы ЭХО отверстий: напряжение (/= 12В, анодная плотность тока 5-^10 А/дм2. В качестве токопроводящих химически активных компонентов рабочих сред используются кислоты и щёлочи, входящие в состав растворов и электролитов (Н2804 ГОСТ 4204-77; №Ж>з ГОСТ 416870; №2804 ГОСТ 4166-76; СЮ3 ГОСТ 254877), состав которых корректируется в зависимости от марки обрабатываемого материала. Проведённые работы в части ЭХО форсунок позволили получить: исключение разброса значений расходных характеристик форсунок на этапах изготовления и испытаний за счёт механизации процесса доводочных операций кромок отверстий взамен
ручной обработки; повышение точности (до ±0,06 мм) и стабильности геометрических размеров отверстий за счёт регулируемого съёма металла в процессе ЭХО; получение входных и выходных кромок отверстий радиусом 11=0,2-0,4 мм; увеличение ресурса блока форсунок в КС за счёт снижения газодинамических потерь в каналах форсунки.
Высокоточная ротационная раскатка внутренней стенки сопла на стане с числовым программным управлением стабилизировала предельно минимальный допуск толщины оболочки ±0,1 мм (до двух раз точнее предыдущих аналогов) и снизила процент технологического брака на 20%. Ротационная раскатка и вытяжка тонкостенных оболочек из нержавеющих жаропрочных сталей и сплавов с сопряжениями сложного профиля производится путём многопереходной давильной обработки листовой заготовки, установленной на вращающейся оправе при продольном перемещении двух давильных роликов - чернового и чистового. Черновой ролик настраивается с опережением движения относительно чистового. Траектории движения роликов, исключающие разнотол-щинность оболочки за пределами допуска (0,2 мм) при формообразовании оживального профиля, задаются отдельно для каждого ролика программой для стана РТ-305.05. Раскатка детали во избежание местных короблений и микротрещин производится с обильным охлаждением индустриальным маслом. Режимы обработки: скорость вращения оправы 50 об/мин, подача - 4 мм/об. До этого применялся способ получения подобных оживальных оболочек более низкой точности с ручной поднастройкой положения одного давильного ролика после каждого перехода, что неизбежно вызывало местные дефекты поверхности и формы.
Организация искусственной шероховатости электрофизическими методами на проточных поверхностях каналов оребрения интенсифицировало процессы теплообмена в тракте охлаждения с более тонкими стенками облегчённых оболочек. Применение новых высокопрочных материалов позволило обеспечить минимальный вес и оптимальную форму высотного сопла во время испытаний в земных условиях при действии боковых усилий, возникающих при отрыве
продуктов сгорания от внутренней стенки сопла. Использование высокопрочного припоя предотвратило запаи в тракте охлаждения с малой высотой рёбер, фрезерованных на более тонких заготовках. Пайка нежёстких оребрённых оболочек проводится в герметичном контейнере с нагревом в печи. В контейнере устанавливают сборочную единицу с оснасткой, подготовленную для пайки, закрывают контейнер, предварительно создают избыточное давление аргона Р=0,4 МПа и проверяют герметичность. Затем для обеспечения полного контакта спаиваемых поверхностей включают вакуумный насос, чтобы создать в межрубашечном пространстве сборочной единицы вакуум 5х10"2 мм рт. ст. Дополнительно для этой же цели обеспечивают избыточное давление аргона в контейнере не менее 0,05 МПа для поддерживания заданной температуры пайки в течение часа.
За счёт модулирования электрических параметров процессов высокоэффективное теплозащитное покрытие труднодоступных внутренних поверхностей камеры сгорания получило надёжное сцепление с основным материалом и не требуется проведение трудоёмкой ручной доводки, как на предыдущих поколениях двигателей.
Электроннолучевое формирование микроотверстий с минимальным выплеском материала в местах выхода луча для получения высокорасходных перфорированных конструкций для фильтрации компонентов в различных местах камеры, турбонасосного агрегата (ТНА), газогенератора повысила надёжность срабатывания, сократила сроки настройки пневмогидравлической системы и двигателя в целом.
Обеспечение герметичности и геометрической точности определяющих деталей и сборочных единиц получено за счёт применения электронно-лучевой сварки в вакууме на установке ЭЛА 60/60 тонких разнотол-щинных листовых заготовок из различных материалов. Оборудование позволяет в зависимости от толщины материала получать сварные швы с шириной от долей до не-
скольких миллиметров. Этим достигается минимальная зона термического влияния, а также соотношение высоты к ширине сварного шва - 40:1. Постоянство поперечного диаметра электронного луча в фокусе создаёт основу для высокой геометрической точности. Почти все рабочие параметры регулируются и могут быть легко изменены для различных задач. Электронно-лучевая сварка в полной мере выполняет требования к качеству, которые устанавливаются в области получения неразъёмных соединений КС для изделий разработки КБХА.
Получение минимальных зазоров и высокоточных настроек агрегатов регулирования и автоматики достигается изготовлением деталей и сборочных единиц (ДСЕ) на высокоточных многоцелевых металлообрабатывающих станках с программным управлением с микронной точностью. Снижение технологических и эксплуатационных потерь, повышение энергетических и ресурсных характеристик агрегатов подачи достигнуто за счёт высокоточного формообразования проточных трактов нагруженных ДСЕ на электроэрозионных станках с программным управлением и последующей отделочно-упрочняющей, в том числе комбинированной, наноразмерной обработкой рабочих поверхностей нагруженных деталей.
Например, формообразование узких (от 2 мм) межлопаточных каналов сложного профиля в цельных дисках турбин с наружным бандажом ведут электродами-инструментами с подачей напряжения на электрод и заготовку при прокачке диэлектрика через промежуток между электродом и заготовкой. Профиль рабочих поверхностей электродов выполняют равным заданному профилю лопатки (рис. 1). Электроэрозионную обработку ведут согласно разработанной программе, определяющей профиль лопатки в соответствии с чертежами деталей. Электроды устанавливают на копировально-прошивном электроэрозионном станке с программным управлением, затем последовательно электродом формируют выпуклую и вогнутую стенки канала, образуя лопатку [4].
Рис. 1. Электроды для прошивания каналов турбин
Область межл о паточного канала турбины с бандажом, подлежащая прошиванию, является условно открытой. Формообразование возможно только в одном направлении и применение электродов, используемых при электроэрозионной обработке турбин без бандажа, технологически не реализуется. Обработку заготовки ведут в постоянном положении относительно оси шпинделя станка, а перемещение электродов относительно образца и относи-тельно заготовки производят по сложным траекториям. При отклонении электрода от заданного положения адаптивная система управления станка производит постоянную корректировку движения инструмента. За счёт высокой дискретности перемещений электрода-инструмента достигается точность профиля до 0,05 мм и шероховатость Яа не более 0,8 мкм. Использование единого электрода для всего профиля канала позволило избежать ступенек на образующей лопатки, неизбежных при традиционной обработке узких каналов переменного сечения отдельными электродами с двух сторон [5].
Динамическая низкочастотная и высокочастотная балансировка роторов массой до 500 кг, определение нагрузок на опоры и прогибов вала при частотах вращения от 2000 до 50000 об/мин, в том числе с учётом их упругих деформаций в режиме прохождения резонанса роторов, включает два этапа.
Первым этапом является раздельная балансировка деталей ротора (вал, рабочие колеса). На втором этапе проводится балансировка собранного ротора.
Обеспечить геометрический вектор тяги двигателя в пределах ±15 стало возможно за счёт точного расположения осей камер при сборке двигателя с применением адаптивной компенсации линейно-угловых геометрических параметров.
Прогнозирование производственной технологичности опытных образцов двигателей
Вышеуказанные процессы реализуются на нежёстких конструкциях и оболочках, в технологически труднодоступных местах (полости, глубокие и узкие каналы), где обработка традиционными методами невозможна или не обеспечивает заданного уровня показателей качества, и значительно влияют на основной показатель производственной технологичности опытных образцов - себестоимость изготовления. Для её оценки используется эмпирическая формула определения трудоёмкости, которая в соответствии с «Методикой укрупнённого определения трудоёмкости изготовления ЖРД и их сборочных единиц», разработанной «НПО Техномаш», может быть представлена в виде:
Ты=Ат,В'Р-С'Пкс'КгЫв, (1)
где /V - трудоёмкость изготовления А-го образца двигателя;
тя - масса "сухого" двигателя;
Ра — давление на срезе камеры сопла;
пкс ~ количество камер сгорания одного двигателя;
Кт - безразмерный коэффициент, учитывающий тип топлива;
N - порядковый номер двигателя от начала изготовления первого опытного образца;
А, В, С, D - эмпирические статистические коэффициенты.
Указанная методика, основанная на обработке статистических данных величин трудоёмкости предшествующих изделий-аналогов, позволяет провести оценку величины трудозатрат двигателей, имеющих достаточно высокую степень преемственности конструкторско-технологических решений. Это требует избирательного учёта при создании новых изделий, имеющих значительную долю оригинальных конструкторских разработок, таких вспомогательных показателей производственной технологичности, как коэффициент оснащённости и таких понятий, как специализация технологических процессов (в том числе организация специализированных участков).
Выражение (1) для прогнозирования трудоёмкости конкретного опытного образца нового двигателя может выглядеть следующим образом:
TN=AmgB-Pa-c-nKCKr^D +TmnpE-KoN, (2) где Tmnp - трудоёмкость технического доос-нащения (реконструкции) производства при создании двигателя;
Kqn - коэффициент оснащённости порядкового номера двигателя от начала изготовления первого опытного образца;
Е - эмпирический коэффициент, учитывающий объём выпуска опытных образцов одного наименования.
Из выражения (2) следует, что значительный вес в трудоёмкости имеет техноло-
гическая подготовка производства, которая при создании опытного образца не заканчивается в момент запуска материальной части, а требует дополнения ввиду постоянного уточнения КД в процессе создания первого двигателя, являющегося одновременно комплексным макетом для подготовки стендов натурных испытаний. Затраты на освоение нетрадиционных наукоёмких технологий, например комбинированных, намного меньше, чем на приобретение дополнительного высокоточного традиционного оборудования, реконструкцию и расширение производственных участков, изготовление трудоёмкой штамповой оснастки, литейных пресс-форм, проведение повторных испытаний и ручных работ по доводке, пригонке, компенсации нестыковок.
Некоторые поверхности сложного профиля (например, межлопаточные каналы с шероховатостью не более 0,8 мкм и шириной до 2 мм мелкоразмерных турбин закрытого типа из высокопрочных и жаростойких сплавов) спрофилировать с заданным качеством без проведения специализированного доос-нащения существующих производств на предприятиях отрасли не представляется возможным. Для решения комплекса подобных задач был создан специализированный участок (рис. 2). Существующие технологии из-за отсутствия надёжных средств измерения и активного адаптивного управления процессом чистовой высокоточной обработки нагруженных деталей, не позволяют исключить негативной технологической наследственности (трещиноватого слоя поверхности от предыдущих операций) [4]. Это требует создания сквозного проблемно-ориентированного процесса высокоточного чистового формообразования высокоресурсных рабочих поверхностей проточной части агрегатов двигателя с использованием комбинированных воздействий различного рода.
Рис. 2. Участок электроэрозионной обработки
Техническое перевооружение должно предусматривать сквозную реконструкцию всех специализированных участков по этому направлению. Организационно-мето-
дическое и технологическое объединение участков электроэрозионной и электрохимической обработки предполагает в дальнейшем создание и внедрение комбинированных технологических процессов высокопроизводительной обработки (эрозионно-термической, эрозионно-химической, элек-трохимикомеханической) без значительных дополнительных капитальных вложений.
В настоящее время применение нетрадиционных технологий для реализации указанных конструктивно-технологических решений в комплексе с различными организационно-техническими мероприятиями позволяет обеспечить приемлемый уровень технологичности перспективной наукоёмкой техники разработки ОАО КБХА, изготавливаемой большей частью в сжатые сроки, малыми сериями и в единичных экземплярах.
Библиографический список
1. Сухочев, Г.А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях
[Текст] / Г.А. Сухочев. - М.: Машиностроение, 2004. - 287 с.
2. Коденцев, С.Н. Технологические методы повышения качества деталей лопаточных машин / С.Н. Коденцев, Г.А. Сухочев [Текст] // Нетрадиционные методы обработки: сб. науч. тр. - М: Машиностроение. - 2009. - Вып. 9. - С. 114— 123.
3. Коденцев, С.Н. Технология комбинированной обработки каналов малого сечения с обеспечением эксплуатационных показателей [Текст] / С.Н. Коденцев, Е.Г. Сухочева // Упрочняющие технологии и покрытия, -2007.-№11(35).-С. 25-28.
4. Коденцев, С.Н. Технология комбинированной электроэрозионной обработки полостей и каналов сложного профиля [Текст] / С.Н. Коденцев, Г.А. Сухочев, Е.Г. Смольянникова // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2012. -№ 5. - С. 31-35.
5. Коденцев, С.Н. Технологическое обеспечение качества турбонасосных агрегатов комбинированными методами отделки и упрочнения [Текст] / С.Н. Коденцев, Г.А. Сухочев, Е.Г. Смольянникова // Упрочняющие технологии и покрытия. -2011.-№6(78).-С. 29-35.
INFLUENCE OF HIGH TECHNOLOGIES ON PRODUCTION TECHNOLOGICAL
PROTOTYPES OF MISSILE ENGINES
© 2012 S. N. Kodencev1, G. A. Suhochev2
Chemical automatics Design Bureau, Voronezh Voronezh State Technical University
Provides a basic description of the developer of progressive design and technological solutions.
Alternative technology, rocket engine, manufacturabilitv, prototype, design and technological solutions.
Информация об авторах
Коденцев Сергей Николаевич, кандидат технических наук, главный инженер Завода ракетных двигателей, Конструкторское бюро химической автоматики, г. Воронеж. Область научных интересов: наукоёмкие технологии ракетного двигателестроения.
Сухочев Геннадий Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения», Воронежский государственный технический университет. E-mail: suhotchev@mai 1.ru. Область научных интересов: технологическое обеспечение эксплуатационных показателей изделий комбинированными методами обработки.
Kodencev Sergej Nikolaevich, candidate of technical sciences, Chief Engineer of Chemical automatics Design Bureau, Voronezh. Area of research: high tech rocket engine.
Suhochev Gennadiy Alekseyevich, doctor of science (engineering), professor of the department «Machine construction technology faculty» Voronezh State Technical University. E-mail: [email protected]. Area of research: technology performance products combined processing methods.
