Ключевые технологии обработки и формирования лопастей вентилятора авиационного двигателя 

Лопасти вентилятора и компрессора авиационного двигателя являются одними из самых важных компонентов двигателя, и окончательное качество их обработки и формовки напрямую связано с эксплуатационными характеристиками авиационного двигателя и безопасностью полета самолета. В последние годы, по мере непрерывного прогресса в научно-технической сфере авиации в нашей стране, показатели авиационных двигателей, такие как степень двухконтурности, тягово-массовое соотношение и ожидаемый срок службы, постоянно повышаются, что приводит к более сложной конструкции лопастей, а также увеличивает сложность обработки материала. Более сложная конструкция и трудноперерабатываемый материал предъявляют более строгие требования к обработке и формовке лопастей.

В настоящее время ведущие мировые производители авиационных двигателей инвестируют огромное количество людских и материальных ресурсов в технологии обработки и формовки лопаток двигателей, чтобы разработать более дешевые, менее загрязняющие, более эффективные и высококачественные решения для обработки авиационных лопаток, соответствующие требованиям двигателей к обработке лопаток. Внутренние производственные предприятия авиационных двигателей на данный момент сталкиваются с рядом трудных задач в таких областях, как методы закрепления лопаток, современные способы резки, разработка программного обеспечения для обработки и решения для полировки. Настоящая статья, опираясь на основные трудности в процессе обработки и формовки лопаток авиационных двигателей в отрасли в целом, всесторонне исследует и рассматривает текущее состояние основных технологий обработки и формовки лопаток вентиляторов и компрессоров авиационных двигателей.

1 Исследование и обработка специальных приспособлений для точного изготовления лопаток двигателя

Лопастные компоненты двигателя являются очень типичными тонкостенными деталями. При механической обработке таких деталей крепление и зажим их всегда были очень сложными. Если деталь не зафиксирована научно обоснованным образом, процесс обработки может легко вызвать деформацию деталей, что затрудняет оператору точный контроль качества поверхности обрабатываемой детали. Обычные технологические приспособления имеют низкую стабильность обработки, и на концах лопастей с наименьшей жесткостью деталь фиксируется с помощью цанги, что недостаточно для восприятия больших сил резания; кроме того, обычные приспособления применяют предварительное давление к обрабатываемой лопасти, что вызывает еще большую деформацию “под резанием”. Из-за конструктивных особенностей тонкостенных лопастей инженеры должны проводить структурные улучшения обычных приспособлений, чтобы после модернизации специальные технологические приспособления могли обеспечить точное закрепление тонкостенных лопастных деталей, а также значительно повысить общую жесткость всей структуры резания, что обеспечивает фактическую точность окончательной формы лопасти.

При проектировании приспособлений для фрезерной обработки лопастей с тонкостенной конструкцией необходимо учитывать следующие основные требования:

(1) Фиксированное положение должно быть точным: точная позиция является самым основным требованием для фрезерования и формовки лопастей авиационных двигателей с использованием приспособлений и крепежей. Положение шипа лопасти является основной опорной поверхностью структуры лопасти, поэтому точность и позиционная точность частей, фиксирующих шип, должны строго соответствовать размерным требованиям.

(2) Конструкция приспособлений и крепежей должна быть максимально простой, а объем – как можно меньше, для удобства практических операций в процессе обработки.

(3) Стабильность должна быть хорошей; во время формовки жесткость кончика лопасти наименьшая, поэтому в этой области необходимо максимально ограничить свободу движения деталей, чтобы повысить безопасность всей структуры.

2 Адаптивное формование при обработке лопаток авиационных двигателей

С распространением решений для обработки и формообразования с числовым программным управлением в современных производственных предприятиях, принципы адаптивного формообразования также достигли быстрого прогресса. В настоящее время, в широком смысле, решения для адаптивного формообразования в зависимости от требуемой продолжительности можно в основном разделить на три типа: во-первых, режим работы с адаптивным проектированием траектории инструмента на этапе программирования; во-вторых, адаптивный режим формообразования в сочетании с цифровыми средствами мониторинга; в-третьих, адаптивный режим работы самого цифрового управляющего устройства в процессе резания.

Решения по обработке и формовке с адаптивным режимом сравнительно широко применяются на практике при точной кузнечной обработке и валковом формировании лопаток компрессора авиационных двигателей. Во-первых, процесс точной кузнечной обработки и валкового формования лопаток компрессора авиационных двигателей легко ограничивается деформацией, возникающей при технологическом процессе, и начальная модель детали не может быть напрямую импортирована в процедуру программирования для цифрового управления обработкой и формовкой. В настоящее время большинство режимов используют обратное проектирование для программирования и создания цифровых моделей, напрямую используя параметры определённых частей соответствующей детали для построения цифровой модели. Однако точность модели, созданной напрямую цифровым методом, обычно не удовлетворяет требованиям точности готового изделия. Поэтому соответствующие технические специалисты должны правильно использовать начальные проектные параметры и разработать решение по созданию цифровой модели с адаптивными технологическими размерами на основе исходной модели. Во-вторых, исходная форма заготовок при точной кузнечной обработке и валковом формировании лопаток компрессора различна, а распределение припусков на обработку также неравномерно. В настоящее время широко применяемые обычные оснастки и приспособления, как правило, трудно обеспечивают точность сборки и позиционирования заготовок с припуском, тогда как специально разработанные нестандартные оснастки приводят к высоким затратам и длительным срокам. Оптимизация припусков на обработку на основе цифрового контроля является эффективным методом решения этой задачи.

3 Решения, связанные с целостностью поверхности лопаток двигателя

С увеличением требований государства к окончательным качественным характеристикам вентиляторов и лопастей компрессоров авиационных двигателей, требования к целостности поверхностей соответствующих деталей получили дополнительное внимание со стороны инженерно-технических специалистов и экспертов. Решения по контролю целостности поверхностей в процессе обработки и формовки лопастей, как правило, включают два уровня содержания: первый – это контроль за целостностью поверхностей при фрезерной обработке лопастей авиационных деталей с учетом характеристик криволинейной поверхности, параметров переднего и заднего краев, а также параметров щитков и других частей, с помощью регулирования параметров инструментов, режимов резания и различных численных значений при фрезерной обработке; второй – контроль за целостностью поверхностей лопастей авиационных двигателей в процессе полировки, включая регулировку параметров шлифовальных инструментов и абразивов, а также параметров полировального оборудования, для обеспечения хорошего контроля целостности поверхностей лопастей вентиляторов и компрессоров авиационных двигателей после полировки.

4 Решения для измерения технологического процесса формирования лопаток двигателя

Оборудование для точного формирования лопастей и схема измерения в процессе обработки работают в сочетании, что позволяет достичь качественного улучшения обычного метода формовки лопастей двигателя. На текущем этапе соответствующие специалисты с помощью схемы измерения в процессе обработки осуществляют мониторинг всего производственного процесса, тем самым получая большое количество информации о процессе обработки, на основе которой оптимизация технологических параметров становится более удобной, а результаты разработки новых продуктов — лучше. Как показано на рисунке 1, станок оснащен модулем смены заготовок, в сочетании с вместительным инструментальным магазином и устройством установки инструмента, что позволяет выполнить позиционирование деталей до получения готового изделия [2].

Измерения в процессе обработки обычно используются для оперативного мониторинга на месте на формовочном оборудовании и имеют следующие преимущества:

• В процессе мониторинга соответствующих деталей максимально сокращается разборка, перемещение и установка сборочных приспособлений при измерениях, оптимизируется процесс обработки, достигается автоматический контроль в процессе формования, снижаются потери материалов и затраты рабочего времени, повышается уровень и эффективность инспекции в процессе работы.
• Представляет разумное решение для высокоскоростного контроля соответствующих деталей и обеспечивает большую удобство для изучения и улучшения оценки качества изготовления и мониторинга ошибок соответствующих деталей.

Технология высокоскоростной резки 5-лопастного режущего инструмента

На данный момент большинство лопаток авиационных двигателей изготавливаются из титановых сплавов, жаропрочных сплавов и других материалов, которые крайне трудно обрабатывать. Эти материалы обладают отличными характеристиками: небольшой массой, высокой прочностью, хорошей термостойкостью и высокой усталостной прочностью. Доля титановых сплавов в гражданских и военных авиационных двигателях составляет соответственно 35%–45% от общей массы. Из-за уникальной конструкции лопаток двигателя с тонкими стенками необходимо удалять большую часть материала заготовки в виде припуска, что требует высокой эффективности резки. Для титановых сплавов, известных своей высокой труднобрабатываемостью, традиционные методы обработки либо не позволяют достичь этих требований, либо требуют больших затрат, поэтому высокоскоростная резка становится важным инструментом для повышения производительности и качества обработки лопаток.

Решение для высокоскоростной обработки лопаток двигателя разрабатывается на основе хорошего контроля целостности поверхности. Путем контроля и улучшения параметров производственного процесса, методов обработки и схем контроля можно не только повысить эффективность обработки деталей и сократить время производства, но и сосредоточиться на контроле показателей целостности поверхности, таких как шероховатость поверхности, остаточные напряжения на поверхности и твердость микроуровня поверхности, предлагая новые методы формообразования лопаток авиационных двигателей. Поэтому необходимо максимально использовать возможности станков с числовым программным управлением (ЧПУ) для фрезерной обработки, исследовать оптимизацию параметров высокоскоростной обработки, оптимизацию деталей припусков, планирование и оптимизацию траектории резания на высокой скорости и другие ключевые технологии, чтобы повысить эффективность обработки и качество изготовления лопаток в авиадвигателестроительных предприятиях.