Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД

Богуслаев В. А., Яценко В. К., Жеманюк П. Д., Пухальская Г. В., Павленко Д. В., Бень В. П.

Источник: Богуслаев В. А., Яценко В. К., Жеманюк П. Д., Пухальская Г. В., Павленко Д. В., Бень В. П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД — Запорожье, изд. ОАО «Мотор Сич», 2005 г. — 559 с.

    Ресурс и надежность авиационных двигателей в основном определяются несущей способностью лопаток компрессора, являющихся наиболее ответственными и высоконагруженными деталями, испытывающими в процессе эксплуатации значительные знакопеременные и циклические нагрузки, которые воздействуют на них с большими частотами.
    Лопатки компрессора самая массовая, высоконагруженная и ответственная деталь авиационного двигателя. Их количество на двигателе находится в диапазоне от 2,0 до 3,5 тыс. штук. Они характеризуются большим диапазоном габаритных размеров — высота лопатки — от 10 до 1000 мм.
    Особенностью лопаток компрессора, имеющих тонкие входные и выходные кромки и изготовленных из титановых сплавов, весьма чувствительных к концентрации напряжений, является то, что они первыми встречаются с инородным телом, попавшим в тракт двигателя.
    Риски, забоины, эрозионные повреждения и др. дефекты значительно увеличивают уровень локальных вибронапряжений, что резко снижает прочностные характеристики лопаток. Поэтому создание благоприятного сочетания свойств поверхностного слоя на финишных отделочно-упрочняющих операциях оказывает большое влияние на повышение несущей способности лопаток ГТД. Актуальной задачей является оценка влияния поверхностного деформационного упрочнения на ударную прочность лопаток при соударении с посторонними предметами.
    В настоящее время при изготовлении лопаток компрессора широкое применение получили методы пластического деформирования и механической обработки, а также комплексные технологии на фиишных операциях технологического процесса.     Виброабразивная обработка на специальных установках нашла широкое применение в производстве лопаток компрессора.
    Положительное влияние на эффективность виброабразивной обработки оказывает применение вместе с абразивом химически активных жидкостей.
    Ультразвуковая обработка шариками (УЗУ) позволяет формировать благоприятное сочетание характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора, имеющих малую жесткость, высокую точность изготовления, сложную конфигурацию и тонкие кромки.
    Пневмодробеструйная обработка (ПДУ) характерна скользящим соударением шариков с поверхностью пера лопатки, не допуская их перенаклепа. Установлено, что ПДУ сопровождается уменьшением структурной неоднородности и придает структуре, распределению фаз и остаточным сжимающим напряжениям более однородный характер в поверхностном слое пера лопатки. Предлагаемый пневмодробеструйный метод отделочно-упрочняющей обработки эффективно нейтрализует технологические микродефекты поверхностного слоя, образованные на предыдущих стадиях технологического процесса, сопровождается значительным увеличением предела выносливости, снижением рассеяния долговечности и не требует последующей доводки тонких кромок ручным полированием.
    Одним из перспективных методов отделочно-упрочняющей обработки является метод магнитно-абразивного полирования (МАП). Отличительная черта МАП заключается в возможности обрабатывать детали с различной конфигурацией и сочетать в одном процессе отделочные и упрочняющие операции.
    Проблема эрозии лопаток газотурбинных двигателей является общепризнанной. Интенсивность и вид эрозии лопаток компрессора зависят не только от условий соударения частиц с поверхностью пера, но и от сочетания характеристик поверхностного слоя.
    Для повышения износостойкости лопаток все более широкое применение получили различные виды комплексных технологий -нанесение плазменных покрытий в сочетании с различными отделочно-упрочняющими методами.
    В работе представлена методика расчета рабочих лопаток при соударении с посторонними телами. Также представлен расчет ударной прочности лопатки компрессора при соударении с посторонним телом с учетом поверхностного деформационного упрочнения. Установлено, что упрочняющая и комплексная обработка наряду с увеличением предела выносливости, приводит и к повышению ударной прочности при условии выбора рациональных режимов за счет благоприятного влияния остаточных сжимающих напряжений.
    Разработка и внедрение в серийное производство двигателей в настоящее время сопровождается прогрессивными конструкторско-технологическими решениями, выражающимися в появлении новых деталей, применением принципиально новых конструкционных материалов, а также усовершенствованием технологий производства, сборки и испытания. Так, в авиадвигателях пятого поколения находят широкое применение широкохордные лопатки вентилятора, осевые и центробежные моноколеса компрессоров, титановые, жаропрочные, порошковые и монокристаллические сплавы с высокой удельной прочностью. Широко используются прогрессивные технологические процессы механической обработки, основанные на концепции высокоскоростного резания, усовершенствуются методы отделочно-упрочняющей и термической обработки.
    Тесная взаимосвязь между конструкцией и технологией производства двигателей предопределила ряд актуальных на сегодняшний день вопросов, связанных с повышением несущей способности сложнопрофильных деталей технологическими методами. Применение в конструкции компрессоров осевых и центробежных моноколес, изготавливаемых из труднообрабатываемых сплавов, остро поставило вопрос о разработке технологии их механической и отделочно-упрочняющей обработки. Использование для деталей такого класса технологических решений, хорошо зарекомендовавших себя в течение Отельного времени на других деталях двигателей, оказалось неэффективным.В результате, долговечность дорогостоящих моноколес компрессоров высокого давления может быть на порядок меньше назначенного ресурса работы двигателя в целом, что приводит к его преждевременному ремонту. Отечественный и зарубежный опыт применения упрочняющих технологий показывает, что при оптимизации технологии изготовления и упрочнения деталей из высокопрочных) сплавов, может быть достигнуто значительное повышение долговечности их работы, за счет резерва прочности материала поверхностного слоя.
    Прогнозирование несущей способности деталей газотурбинных двигателей (ГТД), имеющих сложную форму, различный характер нагружения и условия эксплуатации, является весьма сложной задачей.
    Важное значение имеет достоверный расчет запаса прочности деталей ГТД на стадии разработки технологического процесса. Для решения задач, связанных с анализом данных при наличии случайных и непредсказуемых воздействий, необходимо использовать арсенал методов математической статистики, теорию подобия и анализ размерностей.
    Авторами предложены математические модели для прогнозирования ожидаемой величины предела выносливости деталей ГТД на основе факторов процесса деформационного упрочнения, физико-механических характеристик материалов, геометрических параметров деталей и условий работы.
    В книге обобщены и систематизированы многочисленные результаты последних исследований, проведенных в Запорожском национальном техническом университете и ОАО «Мотор Сич» по определению влияния методов отделочно-упрочняющей и комплексной обработки на качество поверхности, сопротивление усталости и ударной прочности деталей ГТД, а также опыт их применения в промышленности.