В производстве авиадвигателей наибольшая сложность проявляется в изготовлении деталей газовых турбин. Особенно это касается дисков и лопаток, отвечающих за вращение турбины. Они соединены между собой с помощью елочных пазов — углублениями в форме елочек. Сейчас они обрабатываются методом протягивания специальными блоками из быстрорежущих сталей, которые прорезают диски и формируют по окружности елочный профиль. Однако в современных реалиях возникают трудности с зарубежными поставками заготовок для процесса протягивания. Это влечет за собой простои производства и серьезные финансовые затраты. Ученые Пермского Политеха предлагают более эффективный способ прорезки елочных пазов в дисках газовых турбин. Он позволит почти в два раза сократить время и затраты на изготовление протяжек из дорогостоящих быстрорежущих сталей.
Статья опубликована в сборнике «Современные тенденции развития инструментальных систем и металлообрабатывающих комплексов», 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Газовая турбина обеспечивает основную тягу авиадвигателя и отвечает за движение и полет самолета. Поток воздуха, попадая в двигатель, сжимается с помощью компрессора, нагревается в камере сгорания, вращает лопатки турбины и на огромной скорости выбрасывается из сопла, толкая самолет вперед.
Лопатки — ключевой элемент двигателя, они представляют собой металлические пластины, которые по окружности прикрепляются к дискам турбины. Для надежного закрепления в детали они вставляются в пазы сложного профиля — углубления в виде елочек. И в России, и за рубежом обработка таких пазов выполняется на станках с помощью заготовок многосекционных протяжек соответствующей формы. Они создаются из быстрорежущих сталей, которые эффективно прорезают диски и быстро формируют елочный профиль.
Однако с увеличением в стране объема производства новых отечественных газотурбинных двигателей возникают проблемы с изготовлением сложных высокоточных протяжек. Какой бы прочной не была стальная заготовка, после нескольких процессов протягивания она стачивается, из-за чего приходит в негодность и нуждается в переточке. Это требует большого количества времени и самих заготовок. Но их больше не поставляют из-за рубежа, а поиск новых поставщиков и испытания более прочных сталей для протягивания приводят к серьезным финансовым тратам и простою всего производства.
Ученые Пермского Политеха разработали новую технологию прорезки елочных пазов в дисках газовой турбины, которая обеспечит высокий темп производительности отечественных авиадвигателей и значительно снизит затраты на изготовление необходимых комплектов многосекционных протяжек.
— Мы предлагаем применять совмещенный метод обработки: предварительную вырезку пазов проводить различными производительными методами вырезки, а окончательную обработку — уже методом чистового профильного протягивания. Такой способ позволит почти в два раза сократить время и затраты на изготовление, настройку и переточку большого числа предварительных прорезных протяжек из дорогостоящих сталей, — объясняет доктор технических наук, декан механико-технологического факультета ПНИПУ Михаил Песин.
В качестве методов начальной прорезки пазов политехники сравнивали глубинное шлифование, фрезерование, электроэрозионную и гидроабразивную обработку. Для каждого рассчитали трудоемкость и затраты производства при обработке елочных пазов в диске турбины.
Ученые отмечают, что 80% работы ложится на удаление металла из пазов — вырезку елочки, а на чистовую протяжку остается только 20%. Но именно окончательное протягивание обеспечивает качество и точность вырезки.
Результаты расчетов показали, если изначально для вырезки пазов использовать протяжки, то процесс занимает мало времени, но стоимость их комплекта очень высокая. Применение же вместо этого других методов обработки в два раза снижает затраты, но приводит к серьезному росту трудоемкости.
Из всех только гидроабразивная обработка показала лучший результат — трудоемкость выросла всего в 1,5 раза. Окончательная проверка профиля вырезанного паза таким методом доказала его пригодность, так как углубления в образцах получились ровными и подходящими для последующего чистового елочного протягивания.
Ученые Пермского Политеха планируют внедрять новую технологию в серийное производство газотурбинных двигателей. Исследование подтвердило, что процесс гидроабразивной резки перспективен для предварительной вырезки елочных пазов и может быть совмещен с методом протягивания. Разработка существенно сократит расходы материалов и обеспечит высокий темп производительности отечественных ГТД.