Энциклопедия авиации. Главный редактор: Г. П. Свищёв. Издательство: Москва, «Большая Российская Энциклопедия»

Объёмной штамповкой, в результате которой существенно изменяется форма исходной заготовки, получают детали сложной пространственной формы с переменным по длине сечением. Применяют обычные методы объёмной штамповки на универсальном оборудовании (штамповочных молотах и кривошипных горяче-штамповочных прессах), а также способы изотермической (в том числе в режиме сверхпластичности) и высокоскоростной малоотходной и безотходной штамповки на винтовых и многоплунжерных прессах в разъёмных матрицах. С целью повышения точности заготовок и снижения расхода металла проводят предварительное фасонирование: горячую вальцовку, прокатку, высадку, выдавливание и др.

В качестве специализированного оборудования применяются гидравлические прессы для изотермической штамповки, многоплунжерные молоты, электровысадочные машины, вальцы, прокатные станы. Высокоточные детали сложной пространственной формы, например лопатки ГТД, получают холодной вальцовкой на специализированных установках. Нагрев исходного материала под штамповку осуществляется в электрических печах, имеющих небольшой перепад температуры по поду печи. Нагрев стальных заготовок ведётся в газовых печах малоокислительного нагрева.

Электрохимическая обработка — способ, которым можно обрабатывать практически любые токопроводящие материалы, независимо от их физико-механических характеристик. В основе способа лежит процесс анодного растворения металла при высокой плотности тока в проточном электролите с последующим удалением образующихся продуктов реакции из зоны обработки. В качестве электролитов используются водные растворы нейтральных солей. Для обеспечения высокой плотности тока применяются источники постоянного тока с напряжением до 24 В. Электрод-инструмент в процессе обработки не изнашивается. Наиболее эффективно применение этого способа для изготовления деталей из высокопрочных жаропрочных титановых сплавов и сталей, обработка которых резанием затруднена. Хорошо обрабатываются нержавеющие, легированные стали и цветные сплавы. В результате электрохимической обработки в поверхностном слое не происходит структурных изменений, его микротвёрдость такая же, как и основного металла. Остаточные напряжения отсутствуют, не образуется микротрещин и наклёпа. Однако растравливание поверхности на 5—15% снижает усталостную прочность. В Т. а. применяют следующие способы электрохимической обработки: объёмное копирование, прошивку отверстий, электрохимическое шлифование и безразмерную обработку. Объёмное копирование применяется для обработки лопаток газовых турбин и компрессоров, фасонных поверхностей дисков, полостей корпусных деталей ГТД, полостей (гравюр) штампов и пресс-форм, различных пазов в деталях и т. п. Способом прошивки изготовляют охлаждающие каналы в лопатках, межлопаточные каналы в монороторах, отверстия различной формы. Максимальная скорость съёма металла при объёмном копировании 0,5—2 мм/мин, при прошивке 2,5—8 мм/мин. Шероховатость поверхности деталей из жаропрочных и титановых сплавов при копировании R_а 2,5—0,83 мкм, при прошивке R_а 20—10 мкм. Глубина растравливания поверхностного слоя зависит от режимов обработки, химического состава обрабатываемого материала; обычно для жаропрочных сплавов 3—20 мкм. Погрешность обработки при объёмном копировании 0,15—0,5 мм, при прошивке отверстий 0,05—0,2 мм.

С 70 х гг. получили распространение импульсно-циклические процессы электрохимической обработки с использованием специальных импульсных источников питания и дискретно-циклических схем перемещения электрода-инструмента. Эти процессы позволяют в 2—5 раз повысить точность обработки, однако скорость съёма металла уменьшается в 1,5—3 раза, поэтому такая обработка целесообразна на финишных операциях обработки со снятием небольшого припуска.

Электрохимическое шлифование применяют для обработки профиля пера лопаток газовых турбин, лабиринтных уплотнений и базовых поверхностей лопаток, сотовых уплотнений корпусных деталей двигателей. Этим методом осуществляют также профильное шлифование и заточку инструмента из твёрдых сплавов. Обработка по физической сущности не отличается от копирования и прошивки; осуществляется вращающимся электродом-инструментом, на который подаётся электролит, движущийся вслед за кругом (вдоль зазора), удаляющий продукты обработки. Процесс интенсифицируется совмещением электрохимического растворения металла с абразивным резанием, для чего применяются абразивные или алмазные круги на токопроводящей связке. Обработка ведётся при напряжении постоянного или переменного тока 4—20 В, сила тока в зависимости от площади обработки 100—400 А. Скорость подачи электрода при глубинном электрохимическом шлифовании 8—15 мм/мин, при совмещении с обработкой абразивным инструментом 20—30 мм/мин. При этом обеспечивается шероховатость поверхности R_а 0,63—2,5 мкм, погрешность формообразования {{±}} 0,05 мм, отсутствуют заусенцы, прижоги.

Для полирования лопаток газовых турбин, удаления заусенцев, скругления в деталях турбин и т. п применяют безразмерную электрохимическую обработку, при которой электрод-инструмент остаётся неподвижным. Производительность процесса 0,3—0,5 мм/мин.

Электроэрозионная обработка, к которой относится, в частности, электроискровой способ, предложенный в 1943 Н. И. и Б. Р. Лазаренко, основан на использовании искрового разряда между электродом-инструментом (катодом) и обрабатываемой заготовкой (анодом), помещёнными в жидкий диэлектрик. При сближении электродов происходит пробой диэлектрика, в результате чего возникает электрический разряд, в канале которого образуется высокотемпературная плазма (до 10000°С). Длительность электрических импульсов 1—50 мкс, поэтому тепло не успевает распространиться в глубь материала. Способ позволяет получить поверхность высокого качества (шероховатость на чистовых режимах R_z 20 мкм, на особо тонких R_а 1,25—0,63 мкм), но отличается большим износом инструмента (до 125% от объёма снятого материала при обработке стальных заготовок) и низкой производительностью. Этим способом обычно обрабатывают поверхности небольших деталей, образуют отверстия диаметром до 2 мм в листах, тонкие щели, полости небольших штампов, а также вырезают листовые заготовки. Производительность процесса может быть повышена в 5—10 раз при использовании многоконтурных схем и импульсных генераторов.

Разновидностью электроэрозионной обработки является электроимпульсный способ, предложенный в 1948 М. М. Писаревским. Способ основан на использовании импульсов дугового разряда, который в отличие от искрового разряда даёт температуру плазмы в канале 4000—5000{{º}}С, что позволяет увеличить длительность импульсов, уменьшить промежутки между ними. В зону обработки вводятся большие мощности (до нескольких десятков кВт), и таким образом увеличивается производительность (до 25000 мм³/мин). Длительность импульсов 0,05—10 мс, мощность разряда до 60 кВт. Этим способом обычно осуществляют черновую обработку поверхностей (пазов, щелей, отверстий, полостей штампов), калибруют профили лопаток газовых турбин и т. п. Шероховатость поверхности на грубых режимах R_z 80—40 мкм, на тонких R_а 2,5—0,3 мкм. Достоинством способа является малый износ электрода (0,5—2% от снимаемого объёма материала для углеграфитового электрода при обработке стальной заготовки, до 20% — для медно-графитового электрода).

Электронно-лучевая обработка осуществляется на специальных установках в рабочих камерах, в которых поддерживается вакуум, соответствующий давлению 2—10 Па. Основной элемент установки — электронная пушка, вырабатывающая пучок электронов высоких энергий (до 100 кэВ), сконцентрированный на весьма малой площади, что позволяет создавать в зоне обработки огромную плотность потока энергии. Установка оснащена системой программного управления электронным пучком, а также имеет систему ЧПУ или ЭВМ для управления координатными перемещениями обрабатываемой детали и электронной пушки. Способ применяется для резания заготовок практически из любых материалов, прошивки отверстий диаметром 0,05—1 мм (в лопатках турбин, панелях, камерах сгорания, теплозащитных экранах и т. п.). Обработка деталей из жаропрочных сплавов в оптимальных режимах характеризуется высокой точностью получаемых размеров, малой шероховатостью поверхности (R_a 2,5—0,4 мкм); зона структурных изменений материала находится на глубине 0,01—0,1 мм.

Лазерная обработка производится на установках с твердотельными и газовыми лазерами непрерывного и импульсного действия. Лазерное излучение характеризуется высокой степенью монохроматичности и когерентности. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки используются оптические системы, которые обеспечивают высокую плотность потока излучения (до 10⁷ кВт/м²), необходимую для создания термического эффекта за короткое время (длительность импульса 0,1—1 мс). Лазерная обработка применяется для образования малых отверстий диаметром 0,1—1 мм в деталях небольшой толщины (до 10 мм) и для разрезки заготовок из любых материалов. Характеризуется высокой точностью обработки отверстий, шероховатостью поверхности R_а 2,5—0,16 мкм при небольшой глубине структурного изменения поверхностного слоя (1—100 мкм). Эффективность обработки повышается при совмещении воздействия лазерного луча с искровым разрядом, а также в случае применения сжатого воздуха для продувки при калибровке отверстий (например, в деталях топливной аппаратуры, лопатках газовых турбин, экранах камер сгорания). Для разрезания листов толщиной до 1,5 мм применяют твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате, толщиной до 10 мм — более мощные газовые (углекислый газ) лазеры. Процессы резки и удаления продуктов разрушения интенсифицируют совместным воздействием луча лазера и струи газа (обычно кислорода). Режим обработки: мощность 300—1000 Вт, плотность потока излучения в зоне обработки 10⁶—10⁷ кВт/м², ширина реза 0,2—1 мм, скорость резки 0,5—10 м/мин. Способ применяется для прямолинейной и контурной обрезки лопаток газовых турбин, вырезки шаблонов, сеток нагревательных элементов, для разметки заготовок и маркировки деталей. Обработка осуществляется на лазерных установках, оснащённых ЧПУ для координатного перемещения стола.

Размерное химическое травление, или химфрезерование, получило распространение в авиационной промышленности с 1953—54. Способ разработан на основе технологии цинкографии и химического гравирования, основан на химическом взаимодействии материала заготовки с определёнными химическими растворами, в результате чего происходит удаление части материала в виде летучих или растворимых веществ. Достоинством способа является возможность уже на стадии проектирования предусмотреть объединение тонкостенных деталей в монолитные узлы (например, сопряжение обшивки с окантовкой, накладками, усиливающими лентами) и тем самым уменьшить многодетальность конструкции ЛА, а также обеспечить равнопрочность, снижение массы.

Применяют эквидистантное травление, в том числе контурное и общее, и неэквидистантное, в том числе доводочное и направленное (калибровочное), с использованием различных агрессивных сред. При контурном травлении на очищенную и обезжиренную заготовку наносится специальное лакокрасочное покрытие (определённого состава в зависимости от применяемого раствора для травления); по шаблону прочерчивается контур детали, удаляется покрытие с мест травления, деталь подвергается травлению, осветлению и промывке, после чего очищается от покрытия. Контурное травление может быть одно-, многоступенчатым и простым. Общее травление имеет целью доведение размеров заготовки до заданных и улучшение качества поверхности. При доводочном травлении производится местное или общее удаление тонких слоев материала, в результате чего уменьшается масса детали, улучшается качество поверхности (снижается шероховатость), повышается точность обработки. При этом возможно также исправление недостатков предшествующих операций. Направленное травление осуществляется воздействием травителя на отдельные участки детали в течение определённого времени (например, деталь постепенно погружают в раствор и вынимают из него).

При химическом травлении используют различные растворы: для алюминиевых сплавов раствор на основе щёлочи с добавлением серы и серосодержащих и др. соединений; для титановых сплавов — плавиковую кислоту, другие минеральные кислоты, сульфокислоты; для магниевых сплавов — серную кислоту, другие кислоты, глицерин, ингибиторы; для стальные деталей — смесь минеральных кислот. Химическое травление оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость материалов, уменьшает концентрацию напряжений вокруг неровностей поверхности листовых деталей. Способ обработки является энергосберегающим процессом, так как требует в 3—5 раз меньше затрат энергии, чем при обработке резанием.

Термическая обработка металлов — технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. В Т. а. используются такие виды термической обработки, как закалка, отпуск, старение и др. Закалка осуществляется для повышения прочности материала в результате образования неравновесной структуры. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Чем меньше критическая скорость охлаждения, тем глубже прокаливается материал детали. Критическая скорость охлаждения стали уменьшается с повышением содержания углерода и легирующих примесей. Отпуск осуществляется для уменьшения хрупкости, снижения внутренних напряжений, повышения характеристик пластичности. Старение используют для повышения прочности главным образом алюминиевых и медных сплавов, жаропрочности никелевых сплавов. Обработка на бейнит проводится для одновременного повышения прочностных и пластических характеристик стали. Термомеханическую обработку (сочетание термической обработки с пластическим деформированием) применяют для получения более высокой прочности, чем при закалке с отпуском. Химико-термическую обработку (сочетание термической обработки с изменением химического состава металла путем воздействия на него определённых сред) осуществляют для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоёв деталей. С этой целью проводят насыщение поверхностного слоя низкоуглеродистых сталей углеродом (цементация), азотом (азотирование), азотом и углеродом (цианирование).

Нагревание деталей при термической обработке осуществляют в электронагревательных печах, в печах-ваннах с расплавами солей, на индукционных установках с использованием токов промышленной (400 Гц), повышенной (2500—10000 Гц) и высокой (более 50000 Гц) частоты. Скорость нагревания деталей влияет на кинетику фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, на свойства материала. Скорость нагревания в расплавах в 3—5 раз выше, чем в газовой среде; при индукционном нагреве она достигает сотен {{º}}С в 1 с. Для предотвращения изменения поверхностного слоя материала нагревание деталей осуществляют в инертных газах (аргон), вакууме, в защитных средах на основе азота, аммиака, природного газа и т. д. Химико-термическую обработку выполняют в твёрдом, жидком (например, в расплаве цианистых солей), газообразном или плазменном реагенте. Охлаждение деталей производят или вместе с печью (при отжиге), или на воздухе (при нормализации), а также в жидкостях — воде, масле, синтетических охладителях (при закалке), в расплавах солей — селитре, щелочах (при изотермической и ступенчатой закалке).

Упрочняющая обработка деталей газовых турбин из жаропрочных сплавов и сталей, работающих при температурах 350—750{{°}}С, назначается и проводится с учётом релаксационных процессов в материале. Это обеспечивает длительное сохранение высокой усталостной прочности деталей. ППД подвергается более 3000 наименований деталей ГТД и ЛА, работающих при температурах от — 120 до 750{{°}}С, длиной от нескольких мм до 30 м (панели, лонжероны, детали механизации крыла, балки, шпангоуты, части фюзеляжа, штоки, цилиндры амортизаторов, подкосы, оси шасси самолётов; лопасти, валы, стаканы воздушных винтов, лонжероны лопастей и др. детали несущей системы вертолётов; галтели и стержни болтов; перо и замок турбинных лопаток, диски роторов, сварные швы корпусов ГТД, валы, зубчатые колёса, лопатки направляющих аппаратов и др.).