Основы технологии производства газотурбинных двигателей - Носков А.А., Сулима А.М., Серебренников Г.З.

Author: Носков А.А. Сулима А.М. Серебренников Г.З.
Tags: тепловые двигатели (кроме паровых машин и паровых турбин) воздушный транспорт авиация и воздушные соединения воздушные линии и аэропорты машиностроение двигатели газотурбинные двигатели авиационные двигатели
ISBN: 5-217-02800-9
Year: 1996
Similar
Технология производства двигателей внутреннего сгорания
Авиационные газотурбинные двигатели
Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы
Вертолетные газотурбинные двигатели
Text
                    ДЛЯ ВУЗОВ
А.М. Сулима
А.А. Носков
Г.З. Серебренников
основы
ТЕХНОЛОГИИ
ПРОИЗВОДСТВА
ГАЗОТУРБИННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
Издание второе,
переработанное и дополненное
Рекомендовано
Государственным комитетом
Российской Федерации
по высшему образованию в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности
"Авиационные двигатели и энергетические установки"
Москва
Машиностроение
1996
как .14.55
('89
УДК 621.45(075.8)
Рецензент — кафедра 'Технология производства
двигателей летательных аппаратов" МГТУ
Сулима А.М. и др.
С289 Основы технологии производство газотурбинных двигате-
лей: Учебник для студентов авипц.спец,вузов / [А.М. Сулима|,
А.А. Носков, Г.З. Серебренников. — 2-е изд., псрераб. и доп.
— М.: Машиностроение, 1996. — 480 с.: ил.
ISBN 5-217-02800-9
Изложены теоретические основы технологии машипосгроепии, приведена
методика проектирования технологических процессии (7’111 механической
обработки и САПР ТП. Описаны методы обработки шиюрхпостей деталей
авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
Второе издание (1-е изд. 1993 г. под павши гигм "Оспины технологии
производства воздушисг-реактивных дпиттолей") itc|tapfi6t>nino и дополне-
но материалами по изготовлению валов, зубчптых колес, крылвчнток двига-
телей.
_ 2705140400-401 „л к
С --------------- Без объявл.
038(011-96
ISBN 5-2174)2800-9
ВПК 39.55
© А.М. Сулима, Л.Л. I Iockob,
Г.3. Серебренников и др.,
1993
© А.М. Сулима, А.А. Носков,
Г.3. Серебренников, 1996
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
V
So^M
I
Rz
Ra
Lcp
Ь
700
°1000
<p
P
HB, HRC, HV, HM
Сд
—	скорость резания, м/мин, м/с
—	подача, мм/об, мм/мин
—	глубина резания, мм
—	высота неровностей профиля, мкм
—	среднее арифметическое отклонение профи-
ля, мкм
—	высота волнистости поверхности, мкм
—	толщина наклепанного (деформированного)
слоя, мкм
—	степень наклепа, %
—	погрешность обработки и поле рассеяния
размеров
—	среднее квадратическое отклонение случай-
ной погрешности
—	среднее арифметическое значение размеров
(математическое ожидание)
—	допуск на размер, мм
—	общий припуск на обработку, мм
—	временное сопротивление (предел прочности)
при растяжении
—	пределы текучести физический и условный
—	модули упругости и сдвига
—	сопротивление усталости (предел выносли-
вости при симметричном цикле нагружения)
—	предел длительной прочности за 1000 ч и
испытаний при 700 °C
—	степень деформации
—	относительное удлинение и сужение после
разрыва
—	плотность материала
—	твердость по Брин нолю, Роквеллу (шкала С),
Виккерсу, микротвердость»
—	цеховая себестоимость изготовления одной
’ детали, руб.
3

ВВЕДЕНИЕ
Технология машиностроения — одна из самых молодых наук,
быстро развивающаяся вместе с созданием новой техники и совер-
шенствованием промышленного производства. В своем развитии она
прошла несколько этапов.
Первый этап, совпадающий с завершением периода восстановле-
ния и начала реконструкции промышленности страны (до 1929—
1930 гг.), характеризуется накоплением отечественного и зарубежно-
го опыта изготовления машин. Технология считалась не наукой, а
искусством, которое зависело от квалификации мастеров и рабочих.
Второй этап — обобщение и систематизация производственного
опыта, начало разработки общих научных принципов построения
технологических процессов (1930—1941 гг.). На этом этапе разра-
батываются принципы типизации технологических процессов и
теория базирования деталей при их обработке, измерении и сборке
[А.П. Соколовский (1890—1954) — ЛПИ; А.И. Каширин (1891—1963)
— МАТИ; В.М. Кован (1890—1962) — МВТУ и др.]; начались работы
по изучению жесткости технологической системы (К.В. Вотинов и
А.П. Соколовский). В то же время начинаются разработки расчетно-
аналитического метода определения первичных погрешностей обра-
ботки деталей и методов исследования точности обработки на стай-
ках с применением математической статистики и теории вероят-
ностей [А.П. Соколовский, Б.С. Балакшин (1900—1974) — Станкин;
В.С. Корсаков (1910-1984) - МВТУ; А.Б. Яхин (1901-1957) -
МВТУ].
Третий этап, охватывающий годы войны и послевоенного развития
(1941—1970 гг.), отличается особой интенсивностью, разработкой
новых технологических идей и формированием теоретических основ
технологической науки. В эти годы формируется теория точности
обработки деталей и разрабатывается учение о жесткости технологи-
ческой системы и ее влиянии на точность и производительность
обработки (Н.А. Бородачев, А.П. Соколовский, Б.С. Балакшин,
В.С. Корсаков, В.П. Фираго, В.А. Скраган и др.). Продолжалась
4
разработка теории базирования обрабатываемых деталей, теории
размерных цепей и расчета припусков и допусков на обра-
ботку (А.А. Маталин, Б.С. Балакшин, В.М. Кован, А.С. Шевелев,
И.А. Иващенко, В.С. Корсаков, Ф.И. Демин и др.). Широко развер-
нулись теоретические и экспериментальные исследования повер-
хностного слоя и его влияния на эксплуатационные свойства
деталей (П.Ё. Дьяченко, А.И. Исаев, И.В. Кудрявцев, Б.И. Костец-
кий, А.А. Маталин, Д.Д. Папшев, А.В. Подзей — МАИ, А.М. Даль-
ский, Э.В. Рыжов, И.В. Дунин-Барковский — МАТИ; А.М. Сулима,
М.И. Евстигнеев, Г.3. Серебренников — МАИ; В.С. Мухин — УфАИ
и др.).
С.П. Митрофановым разработан групповой метод технологии и
организации производства. На базе типизации технологических
процессов и использования переналаживаемого оборудования и
технологической оснастки создаются поточные линии серийного
производства (В.В. Бойцов и Ф.С. Демьянюк).
Систематизируются и обобщаются материалы по технологии
сборки и разрабатываются ее научные основы (М.П. Новиков,
В.С. Корсаков, А.Н. Никитин и др.). Совершенствуются существую-
щие и разрабатываются новые технологические процессы изготовле-
ния заготовок (высокоскоростная и изотермическая штамповка,
прецизионное литье с направленной кристаллизацией), электрофизи-
ческой и электрохимической обработки деталей, нанесения защитных
покрытий.
Развитие машиностроительного производства показало, что от-
дельные его отрасли имеют в технологии свою специфику. Например,
технология изготовления реакторов АЭС и технологии электронного
машиностроения, самолетостроения, авиационного двигателестроения
существенно различны. В этот период наряду с общей технологией
машиностроения получили самостоятельное развитие отраслевые
технологии.
Четвертый этап — с 1970 г. по настоящее время. Характерной
особенностью современного развития технологии машиностроения
является широкое использование достижений фундаментальных и
общеинженерных наук для решения теоретических проблем и прак-
тических задач технологии машиностроения. Различные разделы
математики, теоретической механики, физики твердого тела, физи-
ческой химии, материаловедения и многих других наук являются
теоретической основой новых направлений технологии машинострое-
ния или используются в качестве аппарата для решения практичес-
ких технологических задач, существенно повышая общий теоретичес-
кий уровень технологии машиностроения и ее практические возмож-
ности. Широкое применение нашла вычислительная техника при
5
разработке технологических процессов и математическом моделиро-
вании процессов механической обработки. Автоматизируется про-
граммирование процессов обработки деталей на станках с ЧПУ.
Создаются системы автоматизированного проектирования технологи-
ческих процессов (Г.К. Горанский, Н.М. Капустин, В.Д. Цветков и
ДР-)-
Интенсивно разрабатывается проблема влияния технологии на
физико-химическое состояние поверхностного слоя (структуру,
фазовый и химический его состав), эксплуатационные свойства,
ресурс и надежность работы деталей машин (А.М. Сулима, Л.А. Хво-
ростухин, Г.З. Серебренников, А.М. Дальский, В.К. Старков,
В.С. Мухин, А.Н. Овсеенко и др.).
Разрабатываются методы оптимизации технологических процессов
по точности, производительности и экономичности изготовления при
обеспечении высокцх эксплуатационных свойств и надежности рабо-
ты машин (Б.М. Баз ров, С.С. Силин, В.Ф. Безъязычный,
Л.В. Худобин и др.) ?-^едутся работы по созданию гибких автоматизи-
рованных производственных систем на основе использования ЭВМ,
автоматизации межоперационного транспорта, контроля и робототех-
ники. Продолжается совершенствование существующих. и поиск
новых малоотходных, экологически чистых и. безлюдных технологий
изготовления деталей, сборки и испытания машин.
Технология производства газотурбинного двигателя (ГТД) имеет
свою специфику: высокая точность деталей, повышенные требования
к физико-химическому состоянию поверхностного слоя, широкое
использование теплостойких сталей, титановых и жаропрочных
сплавов, в перспективе — керамики и композиционных материалов,
применение новейших методов получения заготовок и их обработки,
нанесения защитных покрытий.
В настоящее время все очевиднее становится тенденция решать
технологические задачи на стадии создания двигателя — при его
проектировании и опытном производстве. В связи с этим возникает
необходимость в подготовке в авиационном вузе инженеров-механи-
ков с усиленной технологической специализацией, знающих теорию
рабочих процессов и конструкцию двигателя, а также овладевших
знаниями технологической иауки.
6
PA 3 ДЕЛ I
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ЕГО СТРУКТУРА
(ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ)
1.1.	ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССЫ
Производственным процессом называют совокупность
всех действий людей и орудий производства, осуществляемых для
изготовления или ремонта выпускаемых изделий на данном предпри-
ятии.
Производственный процесс сложен и многообразен. Он включает:
изготовление и обработку заготовок для получения из них деталей;
сборку узлов и двигателей и их испытание; технический контроль,
хранение и перемещение иа всех стадиях изготовления; организацию
снабжения и обслуживания рабочих мест и участков; управление
всеми звеньями производства, а также все работы по технической
подготовке производства.
В производственном процессе наиболее важное место занимают
технологические процессы, непосредственно связанные с превраще-
нием материалов и полуфабрикатов в готовые изделия. Технологи-
ческий процесс — это часть производственного процесса, содержащая
действия по последовательному изменению размеров, формы или
состояния предмета труда и их контроль (ГОСТ 3.1109—82).
В производстве авиационных двигателей используют разнообраз-
ные технологические процессы: литье, обработку давлением и реза-
нием, термическую и физико-химическую обработку, сварку, пайку,
сборку, испытания. (В учебнике в основном рассматриваются техно^
логические процессы механической обработки и особенно обработка
резанием.) Технологический процесс механической обработки дета-
лей — последовательное превращение заготовки в готовую деталь
механической обработкой ее поверхностей.
Технологический процесс обработки резанием можно определить
как последовательное превращение заготовки в готовую деталь
изменением геометрической формы, размеров и физико-химического
состояния поверхностного слоя путем деформирования и снятия
операционного припуска режущим инструментом.
7
Технологический процесс выполняется на рабочем месте. Рабочее
место — участок производственной площади, соответственно обору-
дованный для выполнения заданной работы.
1.2.	СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Технологический процесс изготовления детали состоит из
операций. Технологическая операция — законченная часть технологи-
ческого процесса, выполняемая на одном рабочем месте.
Операция является основой производственного планирования и
учета. На основе операций определяются трудоемкость изготовления
деталей, узлов и изделий, а также потребное количество рабочих,
оборудования, приспособлений и инструментов, устанавливается
себестоимость обработки, производятся календарное планирование и
контроль производства.
Операция может выполняться за один или за несколько устано-
вов обрабатываемой детали. Устинов представляет собой часть
технологической операции, выполняемую при одном закреплении
заготовки.
Во многих случаях операции делят на позиции. Позиция — фикси-
рованное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабаты-
ваемой заготовкой совместно с приспособлением, относительно ин-
струмента или неподвижной части оборудования для выполнения
определенной части операции. Таким образом, позиция — это каждое
из различных положений заготовки относительно инструмента или
инструмента относительно заготовки при одном ее закреплении,
например фрезерование каждой из четырех граней головки винта при
одном его закреплении в делительном приспособлении.
Различие между позицией и установом состоит в том, что в
каждом новом установе новое взаимное положение заготовки и
инструмента достигается путем перезакрепления заготовки, а в
каждой новой позиции — без открепления заготовки, перемещением
или поворотом заготовки или инструмента в новое положение. Заме-
на установов позициями всегда дает сокращение времени на обра-
ботку, поскольку поворот приспособления с заготовкой или головки
с инструментом занимает меньше времени, чем открепление, переус-
тановка и закрепление заготовки.
Операция разделяется на переходы — технологические и вспомога-
тельные.
Технологический переход — законченная часть технологической
операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента
и обрабатываемых поверхностей. Различают переходы простые и
8
°;
Рис. 1.1. Технологические переходы;
а — простые /-.Д; б — сложный
сложные. Сложным называют переход, когда в работе участвуют
одновременно несколько инструментов. На рис. 1.1, а показана обра-
ботка трех цилиндрических и двух торцовых поверхностей вала на
токарном станке. Операция содержит пять простых переходов. Опера-
ция обработки тех же поверхностей вала на многорезцовом станке
будет состоять из одного сложного перехода (рис. 1.1, б). Замена
простых переходов сложным сокращает время обработки и повышает
производительность труда.
Вспомогательный переход — это законченная часть технологичес-
кой операции, состоящая из действий человека или оборудования,
которые не сопровождаются изменением формы, размера и шерохова-
тости поверхности, но необходимы для выполнения технологического
перехода. Примерами вспомогательных переходов являются установ-
ка заготовки, смена инструмента.
Технологический переход состоит из рабочих и вспомогательных
ходов. Рабочим ходом (проходом) называется часть перехода, состоя-
щая из однократного перемещения инструмента относительно заго-
товки, сопровождаемого изменением формы, размеров, шероховатос-
ти поверхности или свойств заготовки, т.е. проход — часть перехода
для снятия одного слоя металла. Переход делят на проходы в тех
случаях, когда за одни проход невозможно снять весь припуск из-за
недостаточной мощности станка, прочности или жесткости детали и
инструмента.
.Вспомогательный ход — часть технологического перехода, состоя-
щая из однократного перемещения инструмента относительно заго-
товки, не сопровождаемого изменением формы, размеров, шерохова-
9
тости поверхности или свойств заготовки, но необходимого для
выполнения рабочего хода.
Все действия рабочего, совершаемые им при выполнении техноло-
гической операции, делят на отдельные приемы. Под приемом пони-
мают законченное действие рабочего. Обычно приемами являются
вспомогательные действия, например пуск станка, переключение
скорости или подачи и т.п. Понятие ’’прием” используется при
техническом нормировании операций.
1.3.	ВИДЫ ОПЕРАЦИЙ И ЭТАПЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Виды операций. При выполнении операций с обрабаты-
ваемой поверхности снимается слой металла, называемый операцион-
ным припуском. В зависимости от величины снимаемого слоя и
режима обработки операции подразделяются на черновые, чистовые,
окончательные и отделочные.
Если заготовка имеет повышенные припуски и резко отличается
по форме от готовой детали, то предусматривается дополнительная
операция для снятия большей части общего припуска, называемая
обдирочной. Точность обработки при этом низкая; обработка выпо-
лняется обычно точением, фрезерованием и строганием.
Черновые операции обеспечивают снятие значительных операци-
онных припусков, примерно (0,5...0.7) z3ar общего припуска в заго-
товке. Точность обработки 12...14-й квалитет, шероховатость повер-
хности Rz = 80...20. Черновые операции выполняют точением, раста-
чиванием, сверлением, фрезерованием и строганием.
Чистовые операции обеспечивают большее приближение размеров
и формы обрабатываемой заготовки к готовой детали. Снимаются
малые припуски, точность обработки 8... 11-й квалитет, шерохова-
тость поверхности Ra = 5...1,25. Для чистовой обработки применяют
кроме тех же методов, что и на черновых операциях, еще зенкерова-
ние, предварительное развертывание, шлифование.
Окончательная операция обеспечивает точность обрабатываемой
поверхности, заданную чертежом детали. Эти операции выполняются
шлифованием, развертыванием, протягиванием, тонким точением.
Отделочные операции снижают шероховатость обрабатываемой
поверхности и улучшают физико-химическое состояние поверхнос-
тного слоя. Отделочные операции осуществляют полированием,
хонингованием, суперфинишированием, притиркой, алмазным выгла-
живанием и другими методами деформационного упрочнения.
10
Этапы технологического процесса. В зависимости от вида опера-
ций (черновые, чистовые, окончательные) технологический процесс
изготовления детали подразделяется на этапы черновой, чистовой и
окончательной обработок. Разделение технологического процесса на
этапы целесообразно при обработке точных и недостаточно жестких
деталей, например при изготовлении точных тонкостенных втулок и
лопаток компрессора ГТД. Многократная повторная обработка повер-
хностей детали уменьшает влияние на точность остаточных напряже-
ний, возникающих в процессе обработки.
Разделение технологического процесса на этапы позволяет более
рационально использовать оборудование и особенности различных
методов обработки. Черновые операции выполняются на мощных
станках, позволяющих снимать большие операционные припуски за
один проход. Для чистовых операций можно использовать менее
мощные,!но более точные станки, а для окончательных операций —
другие станки, обеспечивающие получение заданной точности обра-
ботки деталей.
Технологические процессы обработки крупных, а также мелких
жестких деталей из заготовок с малыми припусками (из отливок,
штамповок, прутков) не делятся на этапы.
Таким образом, жесткость и заданная точность обработки детали
являются основными факторами, определяющими целесообразность
деления технологического процесса на этапы.
1.4.	КОНЦЕНТРАЦИЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ОПЕРАЦИЙ
Разрабатывая технологический процесс изготовления
детали, прежде всего решают вопрос о числе н содержании операций
в нем. При этом можно исходить из двух различных принципов:
концентрации и дифференциации операций.
Принцип концентрации (укрупнения) означает стремление сосре-
доточить в одной операции обработку возможно большего числа
поверхностей, а принцип дифференциации предусматривает разук-
рупнение обработки и упрощение каждой операции путем увеличе-
ния их числа. Пределом концентрации является сосредоточение всей
обработки детали в одной операции, пределом дифференциации —
разделение процесса на такие операции, каждая из которых будет
состоять из одного простого перехода. Каждый из рассмотренных
принципов формирования операций имеет свои достоинства.
Преимущества принципа концентрации состоят в следующем:
сокращается номенклатура приспособлений для установки и закреп-
ления деталей на станке, что уменьшает затраты на их проектиро-
вание и изготовление; уменьшается число установок детали на
11
станке, что очень существенно при обработке тяжелых и громоздких
деталей; появляется возможность использовать станки повышенной
производительности (револьверйые, многорезцовые, многошпиндель-
ные, агрегатные и тл.); сокращается длительность производственного
цикла , так как с уменьшением числа операций уменьшается время
пролеживания детали между операциями; упрощаются планирование
и учет производства.
Принцип дифференциации имеет следующие достоинства: упро-
щается наладка оборудования на каждой операции; снижается слож-
ность работы; создаются возможности для использования оптималь-
ных режимов резания в каждом переходе.
Концентрацию операций в зависимости от формы ее осуществле-
ния подразделяют на организационную, механическую н технологи-
ческую.
Организационная концентрация объединяет несколько операций
в одну без изменения метода обработки. Такой вид концентрации
осуществляется на универсальном оборудовании при использовании
рабочих высокой квалификации.
Механическая концентрация предусматривает замену установов
позициями или механизированной сменой инструмента. Сами перехо-
ды при этом не совмещаются во времени.
В технологической концентрации простые переходы объединяют-
ся в сложные. Этот вид концентрации реализуется при обработке
деталей на револьверных, многорезцовых, многошпиндельных, агре-
гатных и других станках.
Объем выпуска изделий — главный фактор, определяющий
наивыгоднейшую степень концентрации операций.
В условиях единичного и мелкосерийного производства (малый
объем выпуска изделий) наиболее рациональным будет технологичес-
кий процесс, разработанный по принципу организационной и меха-
нической концентраций с использованием универсального оборудова-
ний (в том числе и станков с ЧПУ) и рабочих высокой квалифика-
ции.
С увеличением объема выпуска изделий (среднее, крупносерийное
и массовое производства) наиболее прогрессивными являются техно-
Производсгпвеиный цикл — интервал календарного времени от начала до оконча-
ния процесса изготовления детали (изделия) (ГОСТ 14.004—83).
Объем выпуска изделий — число определенных наименований типоразмера и
исполнения, изготавливаемых предприятием в течение планируемого интервала
времени (ГОСТ 14.004-83).
12
логические процессы с использованием механической и технологичес-
кой концентраций и высокопроизводительных станков: многорезцо-
вых, многошпиндельных, агрегатных, многоинструментальных с ЧПУ
и др.
L5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Металлорежущие станки в зависимости от их техноло-
гических возможностей подразделяются на следующие четыре
группы.
1. Станки общего назначения (универсальные). В эту группу
входят токарно-винторезные, вертикально- и горизонтально-фрезер-
ные, вертикально- и радиально-сверлильные, строгальные, кругло-
шлифовальные и т.п.
2. Станки общего назначения с повышенной производитель-
ностью. Эти станки менее универсальны, обладают меньшим диапа-
зоном частот вращения и подач, но более производительны. К ним
относятся станки токарно-револьверные, токарные автоматы и полу-
автоматы, продольно- и карусельно-фрезерные, бесцентрово-шлифо-
вальные, многоинструментальные станки с программным управлени-
ем и др.
3'. Станки определенного назначения. В эту группу входят стан-
ки, предназначенные для выполнения одной определенной операции
и разных деталей, например зуборезные, резьбофрезерные, резьбо-
шлифовальные, копировально-токарные и др.
4. Специальные станки. Каждый из станков этой группы предна-
значен для выполнения только какой-либо одной операции в техно-
логическом процессе одной определенной детали. Эти станки изготав-
ливают в малом количестве, стоимость их высокая.
Разновидностью специальных станков являются агрегатные
станки, собираемые из стандартных (нормализованных) узлов-
агрегатов в сочетании с небольшим числом специальных деталей и
узлов. На агрегатных станках выполняют сверление, растачивание,
реже — фрезерование.
После снятия с производства детали, для которой агрегатный
станок был предназначен, его нормализованные узлы используют для
компоновки других агрегатных станков. Поэтому агрегатные станки
более маневренны (перекомпоновываются) и меньшей стоимости, чем
обычные специальные станки.
13
1.6.	ТИПЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Разрабатываемый технологический процесс изготовления
детали должен быть увязан с организацией его выполнения, т.е.
типом производства. Основными признаками, определяющими тип
производства, являются широта номенклатуры, регулярность, ста-
бильность и объем выпуска изделий (деталей) (ГОСТ 14.004—83).
Различают три типа машиностроительного производства: массовое,
серийное и единичное. Одной из основных характеристик типа произ-
водства является коэффициент закрепления операций К3 0 — отно-
шение числа всех различных технологических операций, выполняе-
мых в течение месяца, к числу рабочих мест Р:
Кз.о = О/Р.
Массовое производство характеризуется узкой установившейся
номенклатурой и большим объемом выпуска изделий (деталей).
Массовое производство имеет следующие основные признаки: за
каждым станком закреплена одна операция, и станки не переналажи-
ваются на другие операции; коэффициент закрепления операций
Кзо= 1; станки располагаются в порядке выполнения операций (в
технологической последовательности); широко применяются специ-
альные и агрегатные станки, автоматические линии, автоматическая
транспортировка деталей, специальные режущие и измерительные
инструменты, механизированные и автоматизированные приспо-
собления.
Существуют две разновидности массового производства:
а)	поточное производство, имеющее разную трудоемкость опера-
ций; станки загружены по времени неодинаково;
б)	производство непрерывным потоком, где операции по времени
равны или кратны такту выпуска деталей. Такт выпуска — это
интераал времени t (мин), через который периодически производится
выпуск деталей (изделий) определенного наименования, типоразмера
и исполнения. Такт рассчитывают по формуле
t = 60фд	(1-1)
N ’
где Фд — действительный фонд времени, работы станка в планируе-
мом периоде (год, месяц, сутки), ч; N — объем выпуска деталей на
этот же период, шт. Действительный фонд времени работы стайка Ф
меньше номинального или календарного на количество часов, затра-
ченных на ремонт оборудования, т.е. Фд я ФНТ).
14
Номинальный годовой фонд времени работы станка (ч) рассчиты-
вается по формуле
Фн = епт,	(1*2)
где с — число смен (с = 2); п — число рабочих недель в году (п - 15);
т — число рабочих часов в неделю {т - 41); т] — коэффициент
использования оборудования, для станков средней сложности г) =
= 0,98...96.
В производстве ГТД метод поточного производства используется
в цехах и на участках изготовления лопаток компрессора, турбины
и форсунок.
Серийное производство характеризуется ограниченной номенкла-
турой изделий, изготовляемых периодически повторяющимися парти-
ями (сериями) и сравнительно большим объемом выпуска. Понятие
"партия" относится к числу деталей, а понятие "серия" — к числу
машин, запускаемых в производство. В зависимости от числа изделий
в серии или деталей в партии и значения коэффициента закрепления
операций различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерий-
ное производства (ГОСТ 3.1121—84). Значения коэффициента
закрепления операций КЗХ) принимают равными: для мелкосерийного
производства 20...40, для среднесерийного производства 10...20, для
крупносерийного производства 1...10. При единичном производстве
Кд 0 не регламентируется.
При серийном производстве за каждым станком закреплено не-
сколько операций, иначе станки будут мало загружены; таким обра-
зом, станки переналаживаются с операции на операцию; обработка
деталей ведется партиями; применяются станки общего и определен-
ного назначения, специальные и агрегатные станки, специальные,
нормализованные и универсальные приспособления и инструмент;
станки располагают в соответствии с последовательностью выполне-
ния этапов обработки деталей.
Детали при серийном производстве перемещаются по рабочим
местам партиями. Партией называют число деталей одного наимено-
вания, запускаемых в обработку одновременно или непрерывно в
течение определенного интервала времени. Размер партии сущес-
твенно влияет на эффективность производства; уменьшение размера
партий и увеличение их числа способствует сокращению незавершен-
ного производства, но ведет к увеличению потерь на переналадку
станков; увеличение же числа-деталей в партии и уменьшение числа
партий упрощает организацию производства, уменьшает число
переналадок станков, но ведет к увеличению времени пролеживания
деталей между операциями и увеличению незавершенного производ-
ства.
15
Размер партии деталей 7Vn, запускаемых в работу, вычисляют по
формуле
<1-3)
где N — годовой объем выпуска деталей, шт.; D — число рабочих дней
в году (при двух выходных днях D = 253); / — число рабочих дней,
на которые разрешается иметь незавершенное производство (/ -
= 3-5).
Серийное производство значительно экономичнее единичного, так
как лучшее использование оборудования, специализация рабочих,
увеличение производительности труда обеспечивают уменьшение
себестоимости продукции. Оно является наиболее распространенным
типом производства в общем и среднем машиностроении. На заводах
авиационного двигателестроення серийное производство является
основным типом организации производства.
Единичное производство характеризуется широкой номенклату-
рой изготовляемых изделий и малым объемом их выпуска. Повторяе-
мость изготовления этих изделий редка или совсем отсутствует.
Единичное производство универсально, приспособлено к выполнению
разнообразных заданий. Поэтому такие заводы комплектуются
станками универсальными и общего назначения. Оборудование
размещается по видам станков. Используются универсальные, стан-
дартные приспособления, режущий и измерительный инструмент.
Специальную технологическую оснастку применяют редко, значи-
тельные затраты на ее изготовление экономически не оправдываются.
Единичное производство существует в тяжелом машиностроении,
на судостроительных верфях, на предприятиях, выпускающих слож-
ное оборудование для химических и металлургических заводов, в
опытных и ремонтных цехах и т.п.
1.7.	СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННЫХ РАЗМЕРОВ
Размеры поверхности заготовки, полученные в результа-
те выполнения операции, называются операционными. Эти размеры
задают с допусками, так как при обработке заготовки получить
абсолютно точные размеры невозможно. Допуск указывает требуе-
мую точность обработки.
При обработке заданный операционный размер с требуемой точ-
ностью можно получить методом пробных проходов и методом уста-
новки инструмента на размер (автоматическое получение размера).
16
При использовании метода пробных проходов станок предвари-
тельно не настраивается, а заданные размеры обеспечиваются путем
пробных проходов и промеров. Число проходов и промеров (обычно
2...3) зависит от состояния станка, квалификации рабочего и требуе-
мой точности заданного размера. При обработке следующей детали
все действия рабочего повторяются. Этот метод используется в основ-
ном в единичном и мелкосерийном производстве.
При автоматическом получении размера режущий инструмент
устанавливают на заданный размер при наладке станка на операцию
и повторяют после некоторого износа (подналадка) или замены
затупившегося инструмента новым.
Метод автоматического получения размеров по Сравнению с
методом пробных проходов является более производительным, требу-
ет меньшей квалификации рабочего и меньше утомляет его.
Метод автоматического получения размеров широко используется
в массовом и серийном производствах. Все высокопроизводительные
станки (многорезцовые, многошпиндельные, револьверные, агрегат-
ные, многоинструментальные с ЧПУ) предназначаются для обработки
деталей по настройке.
Методом автоматического получения заданных размеров произво-
дится обработка заготовок мерным и фасонным инструментами
(сверлами, зенкерами, развертками, протяжками и т.п.), а также
обработка заготовок в кондукторах.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Что такое технологический процесс и его структура?
2.	Что означают принципы концентрации и дифференциации при разработке
технологического процесса?
3.	На какие щуппы делит станки технологическая классификация металлорежуще-
го оборудования?
4.	Какие типы производства существуют в машиностроении?
5.	Какими способами можно получить заданные операционные размеры детали?
ГЛАВА 2. БАЗИРОВАНИЕ И БАЗЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ
2.1.	ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ БАЗИРОВАНИЯ
Для нормальной работы любой машины необходимо
обеспечить определенное взаимное расположение ее деталей и узлов.
Определенное положение должна занимать и заготовка на станке при
ее обработке. Определенность положения детали или узла в изделии
17
Рис. 2,1. Базирование призматической
детали
(двигателе) и заготовки на станке
достигается базированием (ориен-
тировкой).
В общем случае базированием
называется придание заготовке или
изделию требуемого положения
относительно выбранной системы
координат.
При механической обработке деталей на металлорежущих станках
под базированием понимают придание заготовке или детали требуе-
мого положения относительно элементов станка, определяющих
движение подач режущего инструмента.
Теория базирования основывается на фундаментальных представ-
лениях о несвободной системе, изучаемые в теоретической механике.
Рассмотрим некоторые из них.
Свободное твердое тело имеет шесть степеней свободы: три
перемещения вдоль координатных осей Ох, Оу и Oz и три поворота
вокруг этих осей.
Если на движение точек твердого тела или механической системы
наложены ограничения геометрическими или кинематическими
связями, то такое тело или система называется несвободным телом
(системой). Таким образом, требуемое положение или движение
твердого тела относительно выбранной системы координат достигает-
ся наложением геометрических или кинематических связей. При
наложении геометрических связей на твердое тело, лишающих его
трех перемещений вдоль координатных осей и трех поворотов вокруг
этих осей, тело становится неподвижным в данной системе коорди-
нат. Шесть связей, лишающих тело движения в шести направлениях,
могут быть созданы контактом соединяемых тел в шести точках. В
качестве примера рассмотрим базирование призматической заготовки
в приспособлении по трем координатным плоскостям: хОу (A), xOz
(В) и yOz (С) (рис. 2.1).
Для заданного ориентирования (базирования) заготовке необходи-
мо иметь: три контактные точки Aj, А2 и А3 в плоскости хОу (А), не
лежащие на одной прямой; две точки В} и В2 в плоскости xOz (В) и
одну точку С в плоскости yOz (О.
Для фиксирования (закрепления) заготовки в приспособлении
необходимо приложить силу. Таким образом, процесс установки
заготовки в приспособление или на Станок состоит из базирования
18
(ориентировки) и закрепления, обеспечивающего неизменность
положения заготовки при ее обработке.
Базирование детали нельзя заменить ее закреплением. Если из
шести опорных точек отсутствуют одна или несколько, то у заготовки
остается соответственно одна или несколько степеней свободы. Это
значит, что в направлении отсутствующих опарных точек положение
заготовки не определено и заменить отсутствующие опорные точки
закреплением с целью базирования нельзя.
Поверхность (сочетание поверхностей), линия или точка, исполь-
зуемые для базирования, называют базой. Базирование призмати-
ческой заготовки (см. рис, 2.1) предполагает использование в качестве
баз трех ее поверхностей, на которых соответственно располагаются
три, две и одна точка контакта. В реальных условиях точки контакта
представляются соответствующими опорными точками, имеющими
теоретический характер. Опорная точка символизирует одну из
связей заготовки (детали), с выбранной системой координат.
Для полной ориентации заготовки в приспособлении необходимо
и достаточно иметь шесть опорных точек, расположенных определен-
ным образом относительно базовых поверхностей заготовки (правило
шести точек). Технолог и конструктор по проектированию приспособ-
лений при необходимости полной ориентировки заготовки относи-
тельно всех трех плоскостей прямоугольной системы координат всегда
руководствуются правилом шести точек. Если в зависимости от
служебного назначения деталь (узел) должна иметь определенное
число степеней свободы, то соответствующее число степеней связей
снимается.
Расположение опорных точек на базах заготовки (детали) и есть
схема базирования.
Для условного изображения опорных точек приняты следующие
знаки: -К. — опорные точки на виде спереди и сбоку детали; -ф—
опорные точки на виде сверху детали (в плане).
2.2.	КЛАССИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ И БАЗ
Классификация поверхностей. Все многообразие повер-
хностей деталей и машин можно разделить на три группы: рабочие,
базовые н свободные поверхности.
Рабочие поверхности — поверхности, при помощи которых деталь
выполняет свое служебное назначение, например поверхности корыта
и спинки у лопаток ГТД, эвольвентный профиль зуба шестерен.
Базовые поверхности — поверхности, при помощи которых опре-
деляется положение данной детали в изделии или заготовки на
19
станке, например елочный и трапецеидальный профили замков
лопаток ГТД, опорные поверхности вала и др.
Свободные поверхности — поверхности, не соприкасающиеся с
поверхностями других деталей и не имеющие прямого функциональ-
ного значения.
Классификация поверхностей деталей облегчает анализ рабочего
чертежа при разработке технологического процесса. Рабочие и базо-
вые поверхности имеют более высокую точность и малую П1ерохова7
тость поверхности, они определяют выбор методов обработки и их
последовательность при изготовлении детали.
Классификация баз. Существует несколько признаков для класси-
фикации баз: по назначению, лишаемым степеням свободы и харак-
теру проявления баз.
Классификация баз по назначению. Ба-
зирование необходимо для всех стадий создания изделия: конструиро-
вания, изготовления и измерения. Отсюда вытекает необходимость
разделения баз по назначению на три вида: конструкторские, техно-
логические и измерительные.
Конструкторская база — поверхность, линия или точка, исполь-
зуемые конструктором для определения положения детали или узла
в изделии. Конструкторские базы бывают основные и вспомогатель-
ные.
Основная база — это конструкторская база, принадлежащая
данной детали или узлу и используемая для определения ее положе-
ния в изделии.
Вспомогательная конструкторская база — это база, принадлежа-
щая данной детали или узлу и используемая для определения присо-
единяемой к ним детали или узла.
Технологическая база — поверхность или образующая поверхнос-
ти, используемые для определения положения заготовки или узла в
процессе изготовления или ремонта. Технологическая база выбирает-
ся при проектировании технологического процесса.
Измерительная база — поверхность, образующая или точка
поверхности, относительно которой проверяется положение обрабо-
танной поверхности, т.е. проверяют операционный размер.
Классификация баз по лишаемым степе-
ням свободы. По лишаемым степеням свободы различают
установочные, направляющие и опорные базы (рис. 2.2),
Установочная база лишает заготовку трех степеней свободы:
перемещения вдоль одной координатной оси OZ и поворотов вокруг
двух других осей — OX nOY.
20
Рис. 2.3. Явная и скрытые технологические
базы:
А — установочная явная база; В, С — на-
правляющая и опорная скрытые базы; 1...6
— опорные точки
Направляющая база лишает
заготовку двух степеней свободы:
перемещения вдоль одной коорди-
натной оси OY и поворота вокруг
другой — OZ.
Опорная база лишает заготовку одной степени свободы: переме-
щения вдоль одной координатной оси ОХ или поворота вокруг той же
оси.
Классификация баз по характеру их
проявления. По характеру проявления различают явные
(реальные) и скрытые (условные) базы (рис. 2.3).
Явная база — база заготовки в виде реальной поверхности, разме-
точной риски или точки пересечения рисок.
Скрытая база — база заготовки в виде воображаемой плоскости,
оси или точки.
2.3.	ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БАЗ
Общие требования к технологическим базам. Установоч-
ной базой обычно служит наибольшая поверхность заготовки, позво-
ляющая разместить три опорные точки не на одной прямой и на
большом расстоянии друг от друга.
Наиболее протяженную поверхность используют для направляю-
щей базы, контактирующей с двумя опорными точками. Для опорной
21
Рис. 2.4. Обработка детали при использовании одной (а), двух (6), и трех (в) баз:
А, В, С — установочная, направляющая и опорная базы; 1—6 — опорные точки
базы, находящейся в контакте с одной опорной точкой, можно ис-
пользовать поверхность любых размеров и формы при условии отсут-
ствия на ней дефектов (литников, заусенцев, литейных и штамповых
швов). Каждая из указанных баз определяет положение заготовки в
направлении, перпендикулярном к этой базе, т.е. в направлении
одной из осей системы координат.
При установке заготовки в приспособлении или на станке в ряде
случаев нет необходимости в полной ориентации заготовок в про-
странстве с использованием всего комплекта из трех баз, несущих
шесть опорных точек. Число опорных точек определяется операцией,
прежде всего числом выдерживаемых в ней операционных размеров
и их расположением по отношению к осям координат. От этого
зависит число баз, необходимых для базирования заготовки, а следо-
вательно, и число опорных точек. Так, например, при обработке
плоскости призматической заготовки (рис. 2.4, а) ее ориентировка на
станке в направлении горизонтальных осей координат для получения
размера I не требуется, поэтому боковые поверхности заготовки
теряют значения баз. В данном случае требуемая ориентировка
заготовки осуществляется только одной установочной базой А, а ее
боковые поверхности используются только для закрепления и в
базировании заготовки не участвуют.
Для получения у заготовки двух размеров и 12 (рис. 2.4, б)
возникает необходимость ее ориентировки не только с помощью
установочной базы А, но также и направляющей базы В. Если при
обработке требуется выдержать три размера /д, и h в Разных
координатных плоскостях (рис. 2.4 в), то для ориентировки заготовки
22
необходимо использовать весь комплект из трех баз, т.е. поверхности
Л, В и С.
Таким образом, в зависимости от технологической задачи, решае-
мой при обработке заготовки, для ее базирования в приспособлении
или на станке могут быть использованы одна, две или три базы,
несущие на себе в общей сложности три, четыре, пять или шесть
опорных точек.
Назначение технологических баз. При назначении технологичес-
ких баз руководствуются принципами совмещения и постоянства баз.
Принцип совмещения (единства) баз — стремление к совмещению
технологической базы с конструкторской и измерительной базами.
При совмещении конструкторской, технологической и измерительной
баз обработка заготовки (детали) осуществляется по размерам,
проставленным в рабочем чертеже детали, с использованием всего
поля допуска на размер, предусмотренный конструктором.
Если технологическая база не совпадает с конструкторской и
измерительной базами, технолог вынужден производить замену
размеров, проставленных в рабочем чертеже от конструкторских и
измерительных баз, более удобными для обработки технологическими
размерами, проставленными непосредственно от технологических баз.
В этом случае неизбежен пересчет размеров и ужесточение допусков
на размеры, выдерживаемые при обработке заготовки, а это приводит
к удорожанию процесса обработки и снижению его производитель-
ности.
Принцип постоянства технологических баз — стремление к
использованию одной и той же технологической базы для обработки
заготовки (детали) и на последующих операциях.
Стремление осуществить обработку заготовки от одной и той же
технологической базы объясняется тем, что любая смена технологи-
ческой базы увеличивает погрешность взаимного расположения
поверхностей, обработанных от различных технологических баз,
дополнительно внося в нее погрешности взаимного расположения
самих технологических баз, от которых производится обработка
поверхностей. Принцип постоянства баз реализуется при обработке
деталей в центрах, при обработке пера и замка лопатки ротора
турбины от так называемых ’’плоских” баз (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Обработка пера и замка лопат-
ки ротора турбины с использованием
постоянных ’’плоских” баз в штампо-
ванной заготовке
23
Сохранение технологической базы постоянной при обработке
заготовок на разных операциях чрезвычайно желательно, однако на
практике встречаются случаи, когда выполнение этого требования
может привести к чрезмерному усложнению конструкции приспособ-
ления и его удорожанию.
2.4.	ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК
В процессе обработки заготовка (деталь) соответственно
сориентирована, должна быть неподвижной. Это достигается ее
закреплением в приспособлении или иа станке.
В отличие от базирования заготовки, когда на нее накладывается
различное число связей и она лишается трех, четырех, пяти и шести
степеней свободы, во всех случаях закрепления заготовка должна
быть лишена шести степеней свободы.
С этой целью применяют разнообразные зажимные устройства
(механические, гидравлические, пневматические, магнитные, ваку-
умные и др.), основанные на использовании сил трения.
Зажимные устройства в приспособлениях должны создать постоян-
ство контакта баз с опорными точками (обеспечивать правильное
базирование) и неподвижность заготовки в процессе ее обработки
(закрепление заготовки).
Следует отметить, что чем меньше число баз и опорных точек,
используемых при базировании заготовок, тем проще, производитель-
нее и дешевле получается конструкция приспособлений. Поэтому при
базировании обрабатываемых заготовок необходимо стремиться
использовать наименьшее число баз с наименьшим числом опорных
точек, при котором может быть обеспечено выполнение заданных
чертежом размеров и формы детали.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Что такое базирование и база?
2.	В чем смысл правила шести точек при базировании заготовки?
3.	По каким признакам классифицируют базы?
4.	Какими двумя принципами руководствуются при выборе технологичес-
ких баз?
5.	Какие основные требования предъявляются к технологическим базам?
24
глава 3. ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ
Развитие машиностроения, в том числе и авиационного двигате-
лестроения, характеризуется непрерывным повышением требований
к точности изготовления деталей и сборки изделий. Точность деталей
и узлов машин существенно влияет на долговечность и надежность
их работы в условиях эксплуатации.
Повышение точности технологических операций имеет важное
значение и для производства. Повышение точности заготовок снижа-
ет трудоемкость механической обработки, уменьшает технологичес-
кие потери металла. Повышение точности механической обработки
деталей позволяет частично или полностью устранить подгоночные
работы на сборке, сократить ее трудоемкость.
Проблему точности деталей и узлов машин можно рассматривать
с нескольких точек зрения:
необходимой точности деталей и узлов, обеспечивающих нормаль-
ную работу машины (конструкторское направление);
методов обеспечения точности в процессе изготовления детали,
узла, машины (технологическое направление);
методов контроля точности и средств ее измерения (метрологичес-
кое направление).
Конструирование, технология и метрология взаимосвязаны и
должны решаться совместными усилиями конструктора, технолога и
метролога. Это позволит создать технологические конструкции,
обеспечивающие высокое качество и экономичность их изготовления.
3.1.	ТОЧНОСТЬ И ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ
Точность реальной детали — степень ее соответствия
детали, заданной в чертеже конструктором.
Точность детали определяется точностью размеров, геометричес-
кой формы и взаимного расположения ее поверхностей.
На практике удобнее говорить не о соответствии реальной и
заданной деталей, а об их различии. Отступление реальной детали
от заданной называется погрешностью детали. Таким образом,
точность обработки детали получает свое численное выражение через
погрешность обработки. Погрешность детали возникает в процессе ее
обработки. Допуски на размеры поверхностей детали назначает
конструктор. Погрешность обработки будем обозначать Д, а допуски
на рассматриваемый размер — 6. Знания о погрешностях обработки
25
детали имеют важное значение для технолога. Он должен быть
уверенным, что рассчитанная им точность обработки будет реализо-
вана в цехе без брака. Для этого он должен знать причины, порож-
дающие погрешность обработки, уметь определить значения этих
погрешностей, находить способы их уменьшения.
3.2.	ПРИЧИНЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ
Неточности изготовления, износ и деформация станка.
Погрешности новых станков ограничиваются ГОСТами , определяю-
щими допуски и методы их проверки.
Геометрические погрешности станков полностью или частично
переносятся на обрабатываемую деталь. На значение этих погреш-
ностей могут влиять: биение шпинделя, непрямолинейность и непа-
раллельность направляющих станины, суппорта, рабочего стола;
неперпендикулярность оси шпинделя и направляющих; зазоры в
сопряжениях деталей и узлов станка и др.
Значение погрешности обрабатываемой детали, вызванное неточ-
ностью станка, поддается анализу и расчету. Износ деталей станка
в процессе его эксплуатации, деформация их при неправильном
монтаже или под действием массы при оседании фундаментов (ис-
кривление станины, столов, направляющих) вызывают дополнитель-
ные погрешности обработки.
Упругие деформации технологической системы под действием
сил резания. Механическая обработка деталей на металлорежущих
станках выполняется с использованием приспособлений и режущих
инструментов. Все узлы и устройства, участвующие в процессе
обработки детали, образуют технологическую упругую систему:
станок — приспособление — инструмент — деталь.
Упругая деформация технологической системы под действием сил
резания влияет на точность обрабатываемой детали. Упругие дефор-
мации от сил резания зависят от жесткости технологической системы.
Жесткость — способность системы оказывать сопротивление дей-
ствию сил, стремящихся ее деформировать. Жесткость упругой
технологической системы (кН/м) выражается отношением радиаль-
Нормы точности и жесткости металлорежущих станков: ГОСТ 18097—93 —
токарные и токарно-винторезные; ГОСТ 17—70 — токарно-револьверные, ГОСТ
18100—80 — автоматы токарно-револьверные одношпивдельные прутковые; ГОСТ
98—83Е — радиальио-сверлильные; ГОСТ 11654—90 — круглошлифовальные.
26
ной составляющей сил резания к смещению лезвия инструмента
относительно детали в том же направлении:
/ = ру!у,	<3-1)
где Ру — радиальная составляющая силы резания; у — смещение
режущей кромки инструмента (деформация упругой системы).
Аналогично выражается жесткость отдельных элементов систе-
мы — для суппорта, передней и задней бабок, обрабатываемой детали
и Т.Д.
При нахождении жесткости технологической системы по значени-
ям жесткости отдельных ее звеньев, а также при расчете погрешнос-
тей обработки, связанных с упругими отжатиями отдельных элемен-
тов системы, можно пользоваться податливостью, численно равной
обратной величине жесткости:
w = 1//.	^.2)
Податливость технологической системы (м/МН) — способность
этой системы упруго деформироваться под действием внешних сил.
Податливость можно также выразить отношением смещения лезвия
инструмента у к нормальной составляющей силы резания Ру
w = у/Ру.	<3.3)
Исследованиями установлено, что упругое смещение у, рассчиты-
ваемое только при действии Ру, всегда больше, чем при определении
его с учетом одновременного действия составляющих Pz и Р*. Поэто-
му при экспериментальном определении жесткости технологическую
систему следует нагружать системой сил, близкой к эксплуата-
ционной.
Рассмотрим для примера погрешности, вызванные действием сил
резания при точении вала с установкой в центрах (рис. 3.1), и выяс-
ним, что можно сделать для уменьшения этой погрешности. Очевид-
но, следует рассматривать момент, когда резец окажется в середине
по длине вала, т.е. в месте максимального прогиба.
Общую погрешность в поперечном направлении можно определить
как сумму перемещений элементов системы:
Л	Ру^3 Ру Ру f 1	1 ] (3,4)
^поп З'дет + Усуп + Убаб "	+ —4 “2" 7—+ 7— ’
/суп 4 g J3 б J
где Удет, усуп, убаб, б, /3 б — прогибы и жесткости соответственно
обрабатываемой детали, суппорта, передней и задней бабок. Прн
27
Рис. 3.1. Погрешности формы вала в зависимости от
жесткости технологической системы:
а — в момент обработки; б — после обработки
обработке вала в центрах жесткость (подат-
ливость) технологической системы по длине
вала не остается постоянной, она меняется.
Это вызывает соответствующие изменения
величины отжатия технологической систе-
мы, а следовательно, и формы обрабатывае-
мой детали. Вал в этом случае приобретает
форму, показанную на рис. 3-1, б.
Ввиду того что припуск на обработку в
течение одного оборота детали неравномер-
ный (погрешность ее формы в заготовке или от обработки на пред-
шест'вуюгцей операции), составляющая Ру будет переменной. Так,
при точении вала изменение силы резания Ру за один его оборот
ДР = Р - Р - С (t - t - )S у
Изменения сил резания и жесткости системы при точении по
длине вала вызовет погрешности и в поперечном направлении —
неточность формы сечений вала.
Остается выяснить, как можно повысить точность обработки
детали при установке в пентрах. Анализ формулы (3.4) показывает,
что наибольший эффект можно получить при уменьшении длины I
вала, потому что эта величина принимается в третьей степени.
Можно уменьшить Ру снижением режимов резания, но это повлияет
на производительность обработки. Вероятно, в данном случае опти-
мальным вариантом будет точение вала в центрах с поддержкой
посередине люнетом. Повышение точности заготовки или обработки
вала на предшествующих операциях снижает разность в величине
припуска на обработку (Г — а это также будет способствовать
повышению точности обработки вала в поперечных сечениях на
данной операции.
Температурные деформации узлов станка, обрабатываемой
детали и режущего инструмента. В процессе обработки детали
элементы технологической системы нагреваются, в них возникают
температурные деформации, а следовательно, и погрешности об-
работки.
Температурные деформации станка. Нагрев
узлов станка (передней и задней бабок, суппорта) изменяет их
28
взаимное расположение, вызывает незначительные температурные
деформации узлов станка (8... 12 мкм), которые и снижают точность
обработки.
Для предупреждения появления погрешностей от температурных
деформаций станка при обработке точных деталей производят пред-
варительный прогрев станка на холостом ходу в течение 2...3 ч. Так
поступают, например, при обработке резьбовых калибров на резьбо-
шлифовальных станках.
Температурные деформации режущего
инструмента. Часть тепла, выделяющегося в зоне резания,
переходит в инструмент, нагревает и изменяет его размеры. Влияние
температурных деформаций резца проявляется по-разному. В первый
период работы, до наступления теплового равновесия, удлинение
резца сопровождается непрерывным изменением размеров при обра-
ботке мелких заготовок или изменении формы при обработке боль-
ших деталей. При точении стальных деталей твердосплавным резцом
тепловое равновесие наступает примерно через 20...25 мин непрерыв-
ной работы.
Для уменьшения погрешности обработки и повышения стойкости
инструмента в зону резания вводят смазочно-охлаждающую жидкость
(СОЖ).
Температурные деформации детали. При
механической обработке более 10 % теплоты резания переходит в
деталь, вызывая изменение ее размеров и появление погрешности
обработки. При неравномерном нагревании детали возникает погреш-
ность размеров, а при местных нагревах отдельных участков обраба-
тываемой поверхности — коробление, приводящее к образованию
погрешности формы.
Нагревание детали существенно при обработке тонкостенных
деталей. Точность обработки массивных деталей практически не
зависит от ее нагревания.
Обильное охлаждение значительно уменьшает опасность нагрева-
ния детали и уменьшает погрешность ее обработки.
Неточность изготовления и износ режущего инструмента. Неточ-
ности изготовления размерного и фасонного инструмента (сйерла,
зенкеры, развертки, резьбовые и зуборезные инструменты, фасонные
резцы, фрезы, протяжки, абразивные круги) предопределяют погреш-
ности размеров и формы обрабатываемых поверхностей детали.
Однако в связи с высокой точностью изготовления режущего
инструмента, установленной ГОСТами, их погрешности мало отра-
жаются на точности обрабатываемой детали. Значительно большее
29
U,NKH
Рис. 3.2. Зависимость износа резца от длины пути
резания:
1(1^), Щ£). III — зоны начального, нормального и
катастрофического износа инструмента; L/M, U —
начальный и размерный износ
влияние на точность обработки детали оказывает износ режущего
инструмента.
Влияние износа инструмента на погрешность обработки особенно
заметно при изготовлении деталей из труднообрабатываемых жаро-
прочных сплавов.
Характер протекания износа инструмента примерно соответствует
схеме, показанной на рис. 3.2. В начальный период работы инстру-
мента (период начального износа, зона I) износ наиболее интенси-
вен. Продолжительность начального износа, выраженная длиной £н
пути резания, находится в пределах 500...2000 м (первая цифра
соответствует доведенным инструментам, вторая — заточенным).
Второй период износа (зона II) характеризуется нормальным изно-
сом инструмента, прямо пропорциональным пути резания. Интенсив-
ность этого периода износа оценивается относительным износом
Uo = U/L,	(3.6)
где U — размерный износ, мкм; L — путь резания в период нормаль-
ного износа, км. Размерный износ — износ за путь резания в 1000 м.
При обработке стали резцами Т15К6 длина пути резания в период
нормального износа равна примерно 50 км.
Третий период износа (зона III) соответствует катастрофическому
износу, сопровождающемуся значительным выкрошиванием н полом-
кой инструмента.
Износ режущего инструмента, влияющий на точность обработки
(зона II), рассчитывается по формуле
U - UoLi 1000,	(3.7)
где U — размерный износ инструмента, мкм; L — длина пути реза-
ния, м. При точении длина пути резания определяется по формуле
L = лЛ//10005о,	(3.8)
где D — диаметр обрабатываемой заготовки, мм; I — длина обработки,
мм; 8О — подача, мм/об.
30
Относительный износ режущего инструмента существенно зависит
от материала режущего инструмента, режимов резания, материала
обрабатываемой детали и жесткости технологической системы.
Зная закономерности износа режущего инструмента от пути реза-
ния, можно оценить изменения размера обрабатываемой поверхности
детали.
Погрешность установки детали на станке. Погрешность установ-
ки Оу складывается из погрешностей базирования закрепления
детали со3 и приспособления сопр.
Погрешность базирования детали возникает при несовмещении
установочной и измерительной баз. Эта погрешность определяется
разностью предельных (наибольшего и наименьшего) расстояний
измерительной базы от режущей кромки установленного на размер
инструмента.
При совмещении установочной и измерительной баз погрешность
базирования равна нулю. Погрешность базирования 'отсутствует
также при обработке детали на станках, не настроенных на размер,
т.е. при обработке методом пробных проходов. В этом случае положе-
ние режущей кромки относительно установочной базы регулирует
рабочий путем взятия пробных стружек и промеров от измерительной
базы для каждой отдельной обрабатываемой детали.
Погрешность закрепления детали в приспособлении. При закреп-
лении в приспособлении нежестких деталей возникают деформации,
вызывающие в них иногда значительные погрешности размеров,
формы и взаимного расположения поверхностей. Например, силы
зажатия тонкостенной втулки в трехкулачковом патроне на точность
обработанного отверстия втулки. Погрешности обрабатываемой
детали, возникающие от сил зажима <о3, можно рассчитать, однако
это малоэффективно. Лучше изменить схему установки с целью
уменьшения этих погрешностей. Например, кольцевую деталь надо
установить в приспособление с равнораспределенной нагрузкой от
закрепления в цанговом илн гидропластовом патроне. При малом
объеме производства можно использовать сырые кулачки, растачивае-
мые по размеру базовой поверхности обрабатываемой детали. Мало-
жесткие точные детали сложной формы типа компрессорных дисков
при точении на станках с ЧПУ устанавливают в приспособления со
специальными гидравлическими устройствами для программирован-
ного управления усилием зажима в зависимости от жесткости обраба-
тываемой детали и подводимыми опорами для увеличения жесткос-
ти диска в процессе его обработки.
В большинстве случаев ы3 определяется экспериментально.
Погрешности приспособления. Приспособления для установки и
закрепления обрабатываемой детали имеют свои неточности, возни-
31
кающие при их изготовлении. Наиболее существенными из них
являются неточности установочных (базирующих) элементов, ориен-
тирующих обрабатываемую деталь в приспособлении; неточность
посадочных и опарных поверхностей корпуса, которыми приспособле-
ние устанавливается на станке; неточность настроечных и направля-
ющих элементов для режущего инструмента (установочные эталоны,
кондукторные втулки, копиры). Неточности приспособлений влияют
на точность обрабатываемой детали. Например, неточность базирую-
щих элементов или делительных устройств может влиять на точность
взаимного расположения базовых и обрабатываемых поверхностей
детали.
Износ отдельных деталей и узлов приспособления в процессе
эксплуатации может заметно увеличить неточность приспособления.
Допустимые неточности рассчитывают при проектировании приспо-
соблений. Для различных приспособлений значения этих погрешнос-
тей изменяются в пределах 0,005...0,02 мм и, суммируясь как слу-
чайные погрешности, образуют общую погрешность приспособления.
Общая погрешность ыу установки слагается из составляющих
погрешностей и определяется в соответствии с правилами суммирова-
ния случайных величин по формуле
. « / 2 ~ Г~	(3.9)
“у =	+ “з 4 “пр ’
где <Og, ы„, «пр — соответственно погрешности базирования и закрепле-
ния обрабатываемой детали и погрешность приспособления.
Погрешность настройки станка на размер. Станок можно настро-
ить по эталону (статическая настройка) или по результатам обработ-
ки пробных деталей.
По первому способу режущий инструмент устанавливают в требу-
емое положение по эталону в нерабочем статическом состоянии
станка и вне его. Износ, упругие отжатия и другие погрешности,
возникающие в процессе резания, учитывают при определении
размеров эталона или подбором соответствующей толщины щупа.
Погрешность настройки сон по эталону рассчитывается по формуле
. А Г~2	7~	(3.10)
“н = i>2V “э + “per '
где ыэ — погрешность изготовления эталона; ырег — погрешность
установки режущего инструмента.
Эталоны изготавливаются с высокой точностью, погрешность их
равна 15...25 мкм. Погрешность установки инструмента по жестким
упорам обычно составляет 20...25 мкм, по индикаторным упорам —
32
10... 15 мкм и с помощью щупов или полосок бумаги — 20—30 мкм.
При упрощенных расчетах сорег можно принимать равной цене деле-
ния регулировочного устройства (лимбов, упоров, индикаторов и др.).
Способ настройки станка по эталонам менее точен, но более
производителен, так как затраты времени на настройку и подстройку
меньше. Он особенно эффективен при многоинструментальной обра-
ботке, настройке сменных инструментальных блоков и суппортов вне
станка.
При настройке по пробным деталям более точно режущий инстру-
мент устанавливают последовательным приближением к заданному
настроечному размеру в результате обработки на станке пробных
деталей. В этом случае приближенно можно считать, что настроеч-
ный размер соответствует середине поля допуска. Погрешность
настройки определяется выражением
“н = 1.2у	+ «рег,
(3.11)
где соизм — погрешность измерения пробных деталей, равная предель-
ной погрешности применяемого измерительного инструмента; ырег —
погрешность регулирования (поднастройки) положения режущего
инструмента и отдельных узлов станка.
Деформации под влиянием остаточных напряжений, возникаю-
щих в металле в процессе получения заготовки и ее обработки.
Упругие деформации в материале детали возникают после любого
энергетического воздействия на него (механического, температурно-
го, лазерного, электронно-ионного и др.).
Зная величину деформации и модуль упругости материала, можно
вычислить остаточные напряжения и характер их распределения в
материале детали. Следовательно, упругие деформации и остаточные
напряжения в материале детали могут возникнуть как в процессе
получения заготовки (литье, штамповка, осаждение, спекание и др.)
и последующей ее обработки, так и в условиях эксплуатации двига-
теля, машины.
Деформированный металл детали всегда переходит в более равно-
весное состояние. Релаксационные процессы в детали, вызывая
перераспределение и снятие остаточных напряжений, сопровождают-
ся изменением размеров и формы детали (коробление), т.е. возни-
кновением погрешности детали.
Для восстановления исходной структуры заготовку в деформиро-
ванном состоянии подвергают отжигу, а для снятия остаточных
напряжений в детали — низкотемпературному отпуску.
Погрешности детали, связанные с релаксацией остаточных напря-
жений, весьма нежелательны при изготовлении маложестких точных
139»
33
2.
деталей: тонкостенных втулок, лопаток компрессора, дисков ком-
прессора с тонкой диафрагмой, плунжерных пар гидравлических
систем и др. Поэтому механическая обработка таких деталей выпо-
лняется в несколько этапов и после черновой и чистовой обработки
предусматривается термический отпуск для снятия остаточных
напряжений, и только после этого деталь обрабатывают окончатель-
но, применяя соответствующие методы и мягкие режимы.
3.3.	ПОГРЕШНОСТИ СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ И СЛУЧАЙНЫЕ
Причины, вызывающие погрешности обработки, по
характеру своего воздействия на деталь подразделяют на системати-
ческие и случайные. Они по-разному влияют на выдерживаемые
операционные размеры, форму обрабатываемой поверхности и ее
взаимное расположение с другими поверхностями у последовательно
обрабатываемых деталей. Соответственно и погрешности, возникаю-
щие вследствие этих причин, подразделяются на систематические и
случайные.
Систематическая погрешность — это такая погрешность, которая
остается постоянной или закономерно изменяется при переходе к
обработке каждой последующей детали. В первом случае погрешность
называют постоянной систематической погрешностью (Дпост), а во
втором случае — переменной или закономерно изменяющейся систе-
матической погрешностью (Дпер>.
Причинами возникновения систематических постоянных погреш-
ностей могут служить: погрешности настройки станка на размер;
неперпендикулярность оси шпинделя сверлильного станка к плоскос-
ти его стола; погрешности между осями кондукторных втулок; неточ-
ность размерного режущего инструмента (развертки, фасонные
протяжки). Например, если размер развертки на 0,05 мм больше
требуемого, то отверстия всех деталей, обработанных такой развер-
ткой, окажутся завышенными на эту постоянную величину.
Причинами возникновения систематических переменных погреш-
ностей являются: размерный износ режущего инструмента; темпера-
турные деформации станка, инструмента, обрабатываемой детали;
недостаточная жесткость технологической системы и Др.
Случайная погрешность ысл — это погрешность, величину и
направление (знак) которой нельзя заранее предвидеть, так как ее
появление не подчинено какой-либо видимой закономерности.
Случайные погрешности возникают в результате действия одного
или нескольких случайных факторов или влияния очень большого
числа систематических факторов, но действующих не закономерно,
а случайно, например колебания значения припуска на обработку,
34
изменение твердости, химического состава материала заготовки;
изменение положения заготовки в приспособлении, связанное с
погрешностями ее базирования и закрепления и др.
Случайные погрешности, несмотря на их разнообразие, обладают
общими особенностями: малые погрешности встречаются чаще, чем
большие; для данного способа обработки случайные погрешности не
превосходят определенной величины; положительные погрешности
встречаются так же часто, как и отрицательные; с увеличением
числа деталей в партии среднее арифметическое из этих погрешнос-
тей стремится к нулю.
Случайные и систематические закономерно изменяющиеся по-
грешности также обусловливают рассеивание размеров или других
геометрических параметров детали.
Систематические постоянные погрешности входят в значение поля
рассеивания суммарной погрешности деталей, обработанных на
разных станках, при разных наладках в разное время.
3.4.	АНАЛИТИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ
При -выполнении каждой операции механической обработки
одновременно действует на технологическую систему большое число
причин, вызывающих много первичных погрешностей обработки.
Технологу важно знать и уметь рассчитывать как первичные, так
и суммарную (операционную) погрешности обработки.
Суммарная, или результирующая, погрешность — результат
суммирования отдельных первичных погрешностей обработки при
выполнении данной операции. Знание результирующей погрешности
необходимо для разработки технологического процесса механической
обработки (выбор операционных допусков, методов обработки и
станков, при проектировании приспособлений и инструментов).
Погрешности обработки определяют расчетно-аналитическим или
статистическим методами.
Расчетно-аналитический метод определения погрешностей
обработки. Расчетно-аналитический метод, разработанный А.П. Со-
коловским, В.С. Корсаковым, А.А. Маталиным и другими исследова-
телями, позволяет рассчитать значения погрешностей, вызванных
отдельными технологическими причинами, и последующим суммиро-
ванием этих погрешностей определить общую погрешность обработки.
Расчетный метод основан на выявлении причин, влияющих на по-
грешность обработки, и установлении математической зависимости
между величиной отдельных погрешностей и причинами, их вызыва-
ющими на данной операции, т.е. для реализации расчетного метода
о*
35
необходимо разработать модели формирования и изменения во време-
ни погрешностей обработки.
Рассматривая конкретную операцию, можно выделить превалиру-
ющие причины формирования операционной погрешности, знание
которых позволит судить об ожидаемой погрешности. Например, при
точении длинного стального вала такими причинами первичных
погрешностей обработки будут упругие деформации вала под дей-
ствием сил резания, износ резца и неточность станка (относительное
смещение центров шпинделя и задней бабки). В тех случаях, когда
для определения какой-либо первичной погрешности аналитические
зависимости еше не установлены, значение такой погрешности
принимают по нормативам или справочным данным (например,
погрешность установки детали в патроне, в тисках).
Расчетный метод следует использовать главным образом на этапе
проектирования технологических процессов; он позволяет предска-
зать точность обработки’детали в разрабатываемом технологическом
процессе. Однако в настоящее время расчетно-аналитический метод
определения погрешностей обработки является приближенным и
часто очень трудоемким, вследствие чего на практике он использует-
ся ограниченно, главным образом для определения погрешностей от
доминирующих причин, погрешностей, связанных с установкой
заготовки в приспособление, при расчете точностных характеристик
приспособлений на стадии их проектирования.
Статистические методы определения погрешностей обработки
основаны на наблюдениях в цехах, выполняемых по определенной
методике с последующей обработкой результатов этих наблюдений
методами математической статистики и теории вероятности. Статис-
тические методы основываются на законе больших чисел, утверждаю-
щем, что с увеличением числа наблюдений частота появления како-
го-либо события в прошлом приближается к вероятности появления
его в будущем. Из этого следует, что на основе характеристик рас-
пределения конечного числа деталей (выборок, партий), обработан-
ных на данной операции, можно объективно судить о ее операцион-
ной погрешности, возникающей от совместного влияния всех причин,
действующих в данных условиях выполнения операции. Статистичес-
кие методы определения погрешности предусматривают обработку
результатов 50...100 измерений. При этом числе измерений достовер-
ность результатов вполне удовлетворительна для технологических
целей.
Из статистических методов для определения погрешности обработ-
ки применяют метод кривых распределения и метод точностных
(точечных) диаграмм.
36
Метод кривых распределения. Научные основы
статистического метода кривых распределения разработаны Н.А. Бо-
родачевым, А.А. Зыковым и другими исследователями. Сущность
метода заключается в следующем: измеряют действительные размеры
обследуемой партии обработанных деталей, вычисляют характеристи-
ки распределения и строят кривую распределения, анализируют их
и определяют, теоретический закон распределения исследуемого
параметра точности рассматриваемой совокупности деталей. Все это
позволяет определить суммарную погрешность обработки деталей,
возникшую в данных условиях производства.
Построение кривой распределения. Для
построения кривой распределения разность между наибольшими и
наименьшими размерами £max — £min измеренных деталей всей
обследуемой партии разбивают на к равных интервалов и подсчиты-
вают число деталей т, размеры которых находятся в пределах данно-
го интервала. Число интервалов выбирают с учетом числа деталей
обследуемой партии: при п = 50... 100 шт. к = 5...7; при п > 100 шт.
к~ 7...11.
По оси абсцисс откладывают в выбранном масштабе поле рассеи-
вания £тал — £rain или поле допуска, разделенное на принятое число
интервалов, а по оси ординат — частоту т или частность mln —
отношение числа т деталей, действительные размеры которых попа-
ли в данный интервал, к общему числу п измеренных деталей в
партии. По полученным данным строят график распределения разме-
ров т = f(E). При увеличении числа деталей в партии и числа интер-
валов ломаная линия приближается по форме к плавной кривой,
называемой кривой распределения размеров деталей обследуемой
партии. Распределение размеров деталей можно представить в виде
таблиц и графиков. Например, поле измерения 100 шт. обработанных
деталей с действительными размерами от 20,00 до 20,35 мм распреде-
ление размеров представлено в виде графика,
рис. 3.3.
Вид кривой зависит от выполняе-
мой операции, ее форма и значение
поля рассеивания обусловливаются
действием случайных и систематичес-
ких переменных погрешностей. Пло-
щадь под кривой распределения охва-
тывает все число измеренных дета-
лей п.
Рис. 3.3. Распределение размеров деталей
приведенного на
37
Параметры кривой распределения. Для
характеристики закона распределения погрешностей пользуются
следующими основными параметрами кривой распределения.
Поле рассеивания размеров. Его значение
« =	- Z.min.	(3.12)
Средний размер или центр группирования отклонений (матема-
тическое ожидание) можно определить нз выражения
1 1 k
Lcp = „	+ - + Lkmk} = -Е Limi’ <ЗЛЗ)
где Lp L2, ...,	— размеры деталей, соответствующие каждому
интервалу; т2, ...» mk — число деталей в каждом интервале
(частота); п — число деталей в партии; к — число интервалов.
Среднее квадратическое отклонение случайной погрешности
определяется по формуле
о =	1 [(Ц - /,ср)2И| + ... + (Lk -	=
Ч "	(3.14)
Ч <Л'' £'ср)2т‘' ’
где Хг- — текущий действительный размер, £ср — среднее арифмети-
ческое значение действительных размеров деталей обследуемой
партии.
Законы распределения (рассеяния) раз-
меров. В зависимости от условии обработки деталей рассеяние их
истинных размеров может быть представлено различными математи-
ческими законами. В технологии машиностроения большое практи-
ческое значение имеют следующие законы: нормального распределе-
ния (закон Гаусса), распределение по треугольнику (закон Симпсо-
на), эксцентриситета (закон Рэлея), законы равной вероятности и
распределение, представляющее собой композицию этих законов.
Закон нормального распределения (за-
кон Гаусса). Многочисленные исследования распределе-
Карл Фридрих Гаусс (1777—1855) — немецкий математик.
38
ния размеров деталей для различных операций механической обра-
ботки (точение, фрезерование), выполняемых на настроенных стан-
ках, показывают, что если при выполнении операции не действует
какая-либо доминирующая причина, резко влияющая на погрешность
обработки по сравнению с остальными причинами, то опытные
кривые распределения размеров подчиняются закону нормального
распределения (закону Гаусса).
Результирующая погрешность обработки обычно формируется в
результате одновременного воздействия большого числа взаимно
независимых случайных причин. Влияние каждой из них на резуль-
тирующую погрешность обработки, а значит, и распределение дей-
ствительных размеров обработанных деталей подчиняется закону
нормального распределения.
Уравнение кривой нормального распределения имеет следующий
вид:
> - е
<у/2к
(3.15)
где о — среднее квадратическое отклонение случайной погрешности;
х — отклонение действительного размера от их среднего значения
(х —	— £ср); у — частота появления погрешности (плотность рас-
пределения вероятностей); е = 2,718 — основание натуральных лога-
рифмов.
Анализ уравнения показывает, что кривая нормального распреде-
ления (рис. 3.4) симметрична относительно оси ординат, асимптоти-
чески приближается к оси абсцисс. При х = 0 кривая имеет максимум
39
Рис. 3.5. Формы кривой распределения в зависимости
от среднего квадратического отклонения
1 Ушах f	0,24 /q t т\
у А = Ув =	= —рг я 0,6>тах = -2----	(3.17)
а/аТГ JT	°
Форма кривой нормального распределения определяется значени-
ем о. Чем больше а, тем больше и поле рассеяния и наоборот
(рис. 3.5). о является мерой рассеяния или мерой точности, Вся пло-
щадь Fo (рис. 3.4), заключенная между кривой распределения и осью
абсцисс, равная единице, соответствует общему числу деталей обсле-
дуемой партии и выражается интегралом
+ ОО	+00
Fo = J ydx = V J е 2aldx = 1.	<318>
Для технологических расчетов вполне допустимо ограничить поле
рассеяния погрешностей технологической системы величиной 6 о.
При этом площадь, ограниченная кривой в этих пределах, составит
99,73 % площади, ограниченной всей кривой. Таким образом при
нормальном законе распределения размеров обследуемой партии
обработанных деталей операционная погрешность
А = w = | ±3о | = б о	(3.19)
при риске 0,27 %. Из этого следует, что если допуск б на операцион-
ный размер меньше 6о, работа будет с браком. Если же й = 6а, то это
условие работы без брака (необходимое, но недостаточное), справед-
ливое только при симметричном расположении поля допуска относи-
тельно середины поля распределения. Выполнить это условие при
настройке станка на размер практически невозможно. Поэтому
технолог при выборе допуска на размер руководствуется условием
б > 6о,
40
Таблица 3.1
Максимальная погрешность AS определения S к среднему квадратическому и
генеральной совокупности и значения поправочного коэффициента а при разном
числе измеренных заготовок
п, шт.	AS, %	а	п, шт.	AS, %	а
25	42,4	1,4	200	15,0	1,15
50	30,0	1,3	300	12Г,2	1,12
75	25,0	1,25	400	10,6	1.11
100	21,2	1,2	500	10,0	1,10
Значение среднего квадратического отклонения, определяемого по
данным непосредственных измерений обработанных деталей, обозна-
чаемого в этом случае буквой 5 вместо а, существенно зависит от
общего числа п измеренных деталей. Поэтому для предотвращения
возможного появления брака целесообразно при использовании
формулы ы = 6 ст принять соотношение
ст = aS,
<3.20)
где S — среднее квадратическое отклонение, определенное по форму-
ле <3.14) на основании данных замеров партии из п деталей; а —
коэффициент, учитывающий погрешность определения среднего
квадратического отклонения при малых размерах партии измеренных
деталей (табл. 3.1).
Расчет числа вероятного брака обраба-
тываемых деталей. Если поле рассеяния размеров больше
ноля допуска (ы > б), то брак деталей будет неизбежным. В этом
случае вероятный процент брака всей партии обработанных деталей
рассчитывается следующим образом. При рассеянии размеров, соот-
ветствующем закону нормального распределения, все детали обследу-
емой партии имеют действительные размеры в пределах поля рассея-
ния (рис. 3.6).
'rain ’
Площадь заштрихованных участков соответствует числу (в долях
единицы или в процентах) деталей, выходящих по своим размерам
за пределы допуска.
Для определения числа годных деталей необходимо найти пло-
щадь, ограниченную кривой и осью абсцисс, на длине, равной допус-
41
Рис. 3.6. Число вероятного брака
при симметричном расположении
поля рассеяния относительно поля
допуска
КУ « = Сх - С?- При СИМ.
метричном расположении
поля рассеяния относительно
поля допуска необходимо
вычислить удвоенное значе-
ние интеграла, определяюще-
го половину площади, ограни-
ченную кривой Гаусса и аб-
сциссой:
*о - х2
<r/2it о
Выражение (3.21) можно записать в нормированном виде в форме
известной функции Лапласа*
z _ ъг
Ф(г) =—5—fe	dz.	(3.22)
* /2л о
Значения этой функции табулированы в зависимости от значения
z, представляющего собой нормированный параметр распределения
или коэффициент риска, определяемый выражением
2 = (L - £ср)/о =	(3.23)
С увеличением значения z число годных деталей возрастает, а
процент ожидаемого брака уменьшается. При распределении разме-
ров по закону Гаусса процент ожидаемого брака (процент риска р)
связан со значением функции Лапласа Ф (z) формулой
Пьер Симон Лаплас (1749—1827> — французский математик.
42
Зависимость ожидаемого брака р от коэффициента риска х, %								Таблица 3.2	
Риск р, % (ожидае- мый брак)	32	23	16	10	4,5	1.0	0,51	0,27	0,1
Коэффициент риска z	1,0	1,2	1,4	1,65	2,0	2,57	2,8	3,0	33
р = [1 - 2Ф<г>] 100 %.	<3-24>
Таким образом, для расчета числа годных обработанных деталей
необходимо установить по формуле (3.23) значение z, определить
функцию Ф(г) и пересчитать полученные значения в проценты или
в число штук деталей. Процент ожвдаемого- брака р в зависимости от
z можно определить по табл. 3.2.
Пример. На токарном станке обрабатывают 200 шт. валиков из стали 45. Размеры
обрабатываемой поверхности: и20 мм, длина 50 мм. Допуск на обработку 8 “ 0,1 мм.
Материал резца — эльбор — Р. Износом резца при обработке данной партии деталей
можно пренебречь.
По результатам замера 50 шт. пробных деталей эмпирическая величина среднего
квадратического отклонения 5 — 0,02 мм.
Определить число годных и бракованных деталей при условии, что настройка
станка обеспечивает симметричное расположение кривой распределения относительно
середины поля допуска.
Принимаем, что рассеяние размеров подчиняется закону Гаусса (детали обрабаты-
ваются на настроенном станке при отсутствии доминирующих и систематических
погрешностей). Определяем расчетное значение среднего квадратического отклонения
по формуле (3.20) и табл. 3.1:
о = a S = 1,3- 0,02 = 0,026 мм. Поле фактического рассеяния а-6о = 6- 0,026 -
= 0,156 мм. Следовательно, условие обработки без брака 6а < ы не выполнено, возмож-
но появление брака.
_	8	0,1 _ __	*о	0,05	, „
Согласно расчету хп = — = —_ = 0,05 мм и z = .—. = ----= 1,92.
°	2	2	о	0,026
Следовательно, Фг - 0,4728, что соответствует 47,28 % годных деталей от
половины всей партии (функция Лапласа решена от 0 до х0). Для всей партии
число годных деталей составит 94,56 %, или 189 шт., а бракованных —5,44 %, или
11 шт.
Закон нормального распределения в большинстве случаев справед-
лив при механической обработке деталей с точностью 8. 9 и 10-го
квалитетов и грубее. При более точной обработке распределение
размеров обычно подчиняется другим законам.
Использование кривых нормального ра-
спределения. Кривая нормального распределения — объектив-
ная характеристика точности обработки деталей. Метод кривых
распределения позволяет: обосновать выбор операционного допуска
и метод обработки; составить нормативы точности различных методов
43

Рис. 3.7. Распределение размеров обрабатываемых
деталей по закону равной вероятности
обработки или решающих операций для дан-
ного участка, цеха; произвести настройку
станка на заданный размер; оценить качес-
тво ремонта станков путем сопоставления
кривых распределения размеров деталей,
обработанных до и после ремонта станков;
выявить постоянную систематическую погрешность. Она определяет-
ся величиной смещения центра группирования кривой распределения
для данной совокупности.
Закон равной вероятности. Этому закону подчи-
няется распределение действительных размеров обработанных дета-
лей, вызванных действием таких систематических закономерно
изменяющихся причин (рис. 3.7), как, например, износ режущего
инструмента. Для этого закона
Lc„ = а-~ ; о -	* -L . 0,5771.	(3.25)
Р 2	2/з	/3
Поле рассеяния
<о ~ 2у[3 о * 3,46о.
(3.26)
Площадь прямоугольника равна единице, что означает 100 %-ную
вероятность появления размеров деталей в интервале от а до Ъ. Закон
равной вероятности распространяется на распределение размеров
деталей повышенной точности (5-й, 6-й квалитетьх и выше) при их
обработке по методу пробных проходов [8].
Закон равнобедренного треугольника
(закон Симпсоиа). При обработке деталей с точностью
7...8-го, а в некоторых случаях и 6-го квалитетов распределение их
размеров в основном подчиняется закону Симпсона (рис. 3.8). Для
этого закона поле рассеяния
а = 2/6 о = 4;9о.	(3'27)
Томас Симпсон (1710—1761) — английский математик.
44
Рис. 3.8. Распределение размеров обрабатывав-
^ых деталей по закону Симпсона
. Значение среднего квадратического
отклонения о в этом случае определяет-
ся по формуле (3.14).
Закон эксцентрисите-
та (закон Рэлея). Распреде- о
ление таких существенно положитель-
ных погрег^ростей, как эксцентриситет,
биение при закреплении в кулачковых
и цанговых патронах, разностей ность, непараллельносгь, неперпенди-
кулярность, овальность, конусообразность и некоторых других,
характеризующихся их абсолютными значениями без учета знака,
подчиняется закону эксцентриситета (закону Рэлея).
Распределение по закону Рэлея формируется также и тогда, когда
случайная величина R является радиусом-вектором при двумерном
гауссовом распределении и представляет собой геометрическую сумму
двух случайных величин х и у:
R = \/х2 +у2 ,
(3.28)
каждая из которых подчиняется закону Гаусса с параметрами
Lx = L = Lr = 0; о = av = о0.	(3.29)
Аср -Tcp	Ср	л .	v
Закон распределения Рэлея однопараметрический, и уравнение его
кривой распределения имеет вид
2
°о
где а0 — среднее квадратическое отклонение значений координат х
и у.
Для теоретической кривой распределения по закону Рэлея харак-
терны крутой подъем восходящей ветви и более пологий спуск нисхо-
Джон Уильям Рэлей (Стретт) (1842—1919) —английский физик
45
Рис. 3.9. Образование эксцен-/
триситета (радиуса-вектора Ri
втулки 1, обрабатываемой на
цилиндрической оправке 2 при
наличии зазора между оправ-
кой и отверстием втулки (а) н
функция у - f(R) распределе-
ния размеров по закону Рэлея
(б)
дящей ветви, асимптотически приближающейся к оси абсцисс. Нача-
ло кривой распределения эксцентриситета (2?0, jg) совпадает с нача-
лом координат (рис. 3.9). Среднее арифметическое Rcp переменной
случайной величины (эксцентриситета, разностенности и др.), ее
среднее квадратическое отклонение aR н среднее квадратическое
отклонение а0 значений координат х и у конца радиуса-вектора R
связаны между/ собой следующими соотношениями:
°о ~ aR /0,655;
(3.31)
Яср = 1,92пА = 1,253о0.	<3.32)
Поле рассеяния значений переменной величины радиуса-вектора
R находят из выражения
со = 5,25 oR = 3,44о0.	(3.33)
Композиция законов распределения. В
большинстве случаев механической обработки деталей на точность
их размеров одновременно влияет большое число разных причин,
вызывающих появление как случайных погрешностей, образующихся
по разным законам, так и систематических постоянных и закономер-
но изменяющихся. В этих случаях закон распределения размеров
обработанных деталей представляет собой композицию нескольких
законов распределения.
Когда на размеры деталей одновременно оказывают влияние
случайные погрешности, обусловливающие рассеяние размеров по
закону Гаусса, и систематическая постоянная погрешность, кривая
Гаусса смещается на значение этой погрешности (рис. 3.10). В этом
случае поле суммарного рассеяния размеров деталей определяется по
выражению
И=6о + Дпост-	<3-34)
46
Рис. 3.10. Изменение формы кривой распре- т
деления под влиянием систематической
Достоянной погрешности
' Такая композиция законов рас-
пределения размеров возможна при
по^настройке станка на размер или
пр^ смене мерного режущего ин-
струмента (сверла, зенкера, развер-
тки и др.) на инструмент, действительный размер которого отличает-
ся от размера сменяемого. Если кривая распределения строится по
размерам деталей, обработанных за несколько настроек, то форма
общей кривой рассеяния искажается и отличается от формы Гаусса;
она может иметь несколько вершин разной высоты соответственно
числу настроек.
Композиция законов Гаусса н равной вероятности создает кривые
распределения различной формы, зависящей от степени воздействия
на конечное распределение каждого из составляющих законов
(рис. 3.11). Точность обработки деталей в этом случае можно рассчи-
тать по формулам функции распределения с(0, разработанным
проф. Н.А. Бородачевым. Функция с(д формируется законом Гаусса
с его параметрами о и £ср и законом равной вероятности с парамет-
рами I * 0,5(Л — а) (см. рис. 3.7), на величину поля рассеяния кото-
рого оказывают влияние скорость н продолжительность процесса
обработки. В случае износа режущего инструмента I определяется
удельным износом и продолжительностью резания. Таким образом,
функция а(д отражает не только точность, но и продолжительность
обработки детали. Функцию a(t) можно рассматривать как результат
равномерного смещения во времени вершины кривой Гаусса на
величину параметра 21 кривой распределения закона равной вероят-
ности.
Кривая функция а(д для некоторого
рис. 3.11) выражается формулой
ait) =	1	(3.35)
где о — среднее квадратическое отклоне-
ние гауссова распределения, формирую-
щего функцию ц(д; ао — среднее ариф-
метическое значение размера в началь-
Рнс. 3.11. Кривая функции распределения a(f)
момента времени (см.
47
ный момент времени; ct — сумма систематических погрешностей,
соответствующая моменту времени I.	i
Форма кривой распределения композиционной временной функ-
ции а(0 зависит от параметра определяемого отношением I к ст
мгновенного гауссова распределения = l/a.	f
Линейную функцию a(t) "можно представить в виде
й(£) = Oq + 211 = aq + 2Xaat.	(3.36)
Среднее арифметическое значение размера £ср и среднее квадра-
тическое отклонение <за функции й(Й вычисляются по формулам
А:р ~ с0 + ~ а0 +	(3.37)
2 ф 1 »з , I а2	(3.38)
о„ = о + — I ~ а 1 ►	.
°	3	3 fl
Поле рассеяния со размеров функции распределения a(t) зависит
от параметра следующим образом:
ко-................................. 3,0	6,0	10,0	24,0
W......................... -	. -	4,74<7О	4,14ав	3,76<7О	3.56ос
Оценка надежности обработки деталей
без брака. Рассмотренные законы распределения размеров
позволяют технологу оценить надежность обеспечения требуемой
точности обработки деталей с помощью коэффициентов запаса точ-
ности. Коэффициент запаса точности по контролируемому
параметру для данной операции определяется по формуле
(3.39)
где S — допуск на операционный размер обрабатываемой детали; о»
— фактическое поле рассеивания размеров деталей.
Когда запас точности Кя z 1,2, процесс обработки считается
надежным. Для всех законов распределения размеров условием
обработки деталей без брака является ы < 6, показывающее, что поле
фактического распределения размеров должно быть меньше установ-
ленного допуска.
При К3 < 1,0 брак деталей весьма вероятен.
48
Метод точечных диаграмм. Метод кривых распределения дает
возможность получить объективную оценку точности выполнения
данной операции. Однако этот метод не позволяет выявить последо-
вательность изменения погрешностей деталей в процессе их обработ-
ки, так как не учитывается последовательность обработки деталей,
все детали партии как бы перемешиваются. По кривым распределе-
ния нельзя управлять технологическим процессом. Закономерно
изменяющиеся погрешности не отделены от случайных, влияние тех
и других выявляется как рассеивание размеров.
Этих недостатков в значительной мере лишен метод точечных
диаграмм (метод малых выборок), который дает наглядное представ-
ление о ходе изменения погрешностей во времени. Метод точечных
диаграмм дополняет метод кривых распределения, он дает возмож-
ность выявить и раздельно оценить влияние закономерно изменяю-
щихся и случайных погрешностей.
Точечные диаграммы строятся следующим образом. По оси аб-
сцисс откладываются номера последовательно обрабатываемых дета-
лей, номера выборок или время работы станка в часах, а по оси
ординат в виде точек откладываются размеры этих деталей; среднее
арифметическое значение размеров- выборок; медиана выборки или
размахи распределения выборок, взятых через определенный интер-
вал времени работы станка.
Выборка — некоторое число деталей, взятых из партии обработан-
ных деталей. Выборка обычно состоит из 5...10 деталей от партии.
Положения теории вероятности дают возможность выводы, получен-
ные по данным случайной выборки, распространить на всю партию
деталей.
В зависимости от характера величины, откладываемой по оси
ординат, точечные диаграммы подразделяют на диаграммы индивиду-
альных значений размеров обрабатываемых деталей L , средних
арифметических значений выборок Лср, медиан выборок Ьы и разма-
хов распределения выборок w.
Точечные диаграммы значений размеров
деталей или их выборок (рис. 3.12, а, б) из-за большой
растянутости или их скученности затрудняют выявление общей
закономерности изменения обследуемых размеров.
Точечные диаграммы средних арифмети-
ческих значений размеров выборок дета-
лей (рис. 3.12, в) более удобны для анализа точности обработки,
так как рассеяние £ср выборок меньше, чем рассеяние индивидуаль-
ных значений размеров всей совокупности деталей на /п, где и —
число деталей в выборке. В этом случае легче обнаружить общую
49
Л< беглая и
N выборок
N вЫборОК
Медиана менее чувствительна
Рнс. 3.12. Точечные диаграммы;
а ~ индивидуальных значений размеров
деталей; б — выборок; в ->• средних арифме-
тических значений выборок
1-Ср.Д^ы^
тенденцию изменения размерен/
обработанных деталей с течение^
времени.
Точечные диаграм-
мы медиан выборок. По
оси ординат откладываются медиа-
ны выборок. Медианой называют
такое значение размера из взятой
выборки деталей, которое, занимая
среднее положение, показывает
равную вероятность получения
размеров больше и меньше этой
величины (медианы), т.е. медиана
— центральный размер в выборке,
к случайному единичному выпаду
наблюдаемого значения размера в выборке.
Точечная диаграмма размахов распре-
деления размеров деталей выборки. Размах
распределения размеров в выборке
w = £шах * Лп1п.	<3-40>
где Lm , £mi — максимальное и минимальное значения размеров
деталей в выпорке.
Между размахом распределения и средним квадратическим откло-
нением о размеров деталей в выборке существует зависимость
а = w/dn,	(3-41)
где dn — коэффициент, изменяющийся в зависимости от числа дета-
лей п в выборке (табл. 3.3). Поэтому размахи распределения деталей
в выборках в первом приближении дают представление об изменении
величины рассеяния размеров во времени.
Метод точечных диаграмм позволяет выделить в общей погреш-
ности рассеивания размеров значения случайной и систематической
переменных погрешностей. Это следует из анализа обычной точечной
диаграммы, построенной для партии деталей, обработанных при
одной настройке станка.
50
Таблица 3.3
Значения коэффициентов dn
и	d.	п	d„	п	' d„	п	4,
\ 2	1,128	7	2,704	12	3,258	17	3,588
\3	1,693	8	2,847	13	3,336	18	3,640
\ 4	2,059	9	2,970	14	3,407	19	3,689
5	2,326	10	2,078	15	3,472	,20	3,735
6	2.534	И	3.173	16	3,532		
Если операция выполняется в условиях, когда под влиянием
производственных причин возникает нормальное распределение
размеров, то общая погрешность будет равна 6о (рис. 3.13).
Теперь рассмотрим выполнение операции в условиях действия
доминирующей систематической закономерно изменяющейся по-
грешности, например износа резца (рис. 3.14). Под влиянием Дпер,
связанной с износом и затуплением режущего инструмента, в процес-
се обработки происходит смещение поля рассеивания размеров дета-
лей внутри поля допуска и через определенный промежуток времени
(период стойкости режущего инструмента с учетом его поднастройки)
. возникает опасность выхода части размеров деталей за пределы поля
допуска. Средняя линия Ао (Lcp) характеризует изменение система-
тической закономерно изменяющейся погрешности во времени. Зная
размахи мгновенных выборок и-’,,,.,, =	- Ьт1п, где и £т1п -
максимальные и минимальные значения в мгновенной выборке,
можно с достаточной для практики точностью определить среднее
квадратическое отклонение мгновенного рассеивания размеров выбор-
ки по ее размаху: омгн = wldw где dn — коэффициент, изменяющийся
в зависимости от объема мгновенной выборки (см. табл. 3.3). По
вычисленным омгн, взятым через определенные интервалы времени,
определяем их мгновенные поля рассеяния <омгн, принимая <омгн =
= бомгн. Затем, откладывая от линии Л0(Сср)±Зомгн для каждой
выборки, получим кривые А{ и А2, определяющие пределы воз-
можных отклонений размеров при об- L
работке партии деталей. Общая по-
грешность размеров всей партии об-
работанных деталей <оп при действии
Рис. 3.13. Точечная диаграмма при нормальном
законе распределения размеров
0 2 16В lONSufopox
51
Рис. 3.14. Точечная диаграмма индивидуальных значений размеров деталей выборок
при действии доминирующей закономерно изменяющейся погрешности (износ
резца):
1,2 — кривые границ размахов распределения w мгновенных выборок; A0{Lcp) —
линия среднего уровня размера деталей, характеризующая изменение закономерно
изменяющейся погрешности Дзак во времени; At, А2 — границы полей мгновенного
рассеяния размеров деталей выборок (Ао = 3aMMj)
доминирующей закономерно изменяющейся погрешности Дзак будет
составлять
“п = Дзак * “сл-	(3’42)
Точечные диаграммы позволяют контролировать технологические
процессы во времени их протекания в двух направлениях:
по устойчивости и стабильности параметров точности; устойчи-
вость характеризуется постоянством во времени величины Хср, ста-
бильность — постоянством поля мгновенного рассеивания сомгн;
по предупреждению брака (статистический контроль), так как
контролируется не вся совокупность изготовленных деталей, а пра-
вильность выполнения самого технологического процесса. При обна-
ружении отклонений принимаются меры для их устранения (подна-
стройка станка, замена инструмента и др.). Выборочной проверке
подвергается только 5... 10 % всей партии обработанных деталей.
Наряду с существенными достоинствами статистических методов
исследования и контроля точности (методы кривых распределения и
методы точечных диаграмм), ранее рассмотренными, им присущи и
недостатки. Оба метода не вскрывают физико-химической сущности
явлений, имеющих место в процессе обработки, ие указывают кон-
кретных путей по обеспечению заданной точности.
Расчет суммарной погрешности обработки. Результирующую
(общую или суммарную) погрешность контролируемого операционно-
52
го параметра рассчитывают суммированием отдельных первичных
систематических и случайных погрешностей.
Теория суммирования первичных или элементарных погрешностей
'обработки еще недостаточно разработана. Она относится к основной
проблеме теории точности в машиностроении. 
Суммарную погрешность можно определить расчетно-аналитичес-
кими и опытно-статистическими методами.
Расчетно-аналитические методы опре-
деления суммарной погрешности обработ-
к и. Результирующую погрешность обработки деталей как одной
партии, так и в пределах генеральной их совокупности можно опре-
делить суммированием первичных систематических и случайных
погрешностей по правилам теории вероятности и математической
статистики. Правила суммирования первичных погрешностей обра-
ботки заключаются в следующем:
случайные погрешности и систематические, закономерно изменяю-
щиеся, суммируются по правилу квадратного кория с учетом закона
их распределения;
систематические постоянные погрешности складываются алгебраи-
чески с учетом их знака;
постоянные систематические погрешности со случайными и зако-
номерно изменяющимися суммируются арифметически.
•Суммарная погрешность обработки в этом случае рассчитывается
по следующему уравнению:
Ду = шу = £ш,-	+	£???</	<3-43)
— пост	Ч 1 <сл	1	1
где К, и Ку “ коэффициенты относительного рассеивания (по
Н.А. Бородачеву) соответственно первичных погрешностей и их
суммы; i — индекс элементарной погрешности.
Коэффициент относительного рассеивания представляет собой
отношение поля рассеивания при нормальном законе распределения
к действительному полю рассеяния. Для нормального закона распре-
деления = 1,0; для закона равной вероятности = 1,73; при
композиции закона равной вероятности и нормального закона X, =»
= 1,2... 1,5 (iKi =-1,2 при Z/6o •= 1, где I — приращение размера вслед-
ствие переменной систематической погрешности; и — среднее квадра-
тическое отклонение; К,- =1,5 при //6о = 3); для законов Симпсона
KL •= 1,22; Рэлея — Kt =» 1,097 и Максвелла — Kt = 1,13.
53
Первичные, или элементарные, погрешности обработки (установки ,
детали в приспособление; настройки станка; тепловые деформации /
детали, станка, инструмента; .метода обработки и др.) рассчитывают-
ся (см. подразд. 3.2, 3.4) или принимаются по справочным, норматив-
ным или литературным данным.
Рассмотренный вероятностный метод суммирования позволяет
получить достоверные значения суммарной погрешности обработки.
В формуле (3.43) коэффициент относительного рассеяния 1/Ку
корректирует суммарную погрешность с учетом приведенной ниже
заданной гарантированной надежности Р.
Заданная гаранти-
рованная надежность,
р. ____..... . . 0,70 0,80 0,90 0,95 0,98 0,9973 0,9995 0,99999
Коэффициент относи-
тельного рассеяния
суммарной погрешнос-
ти»!/^...	. 0,347 0.427 0,548 0,683 0,775 1,000 1,167	1,470
В обычных условиях обработки деталей на настроенных станках
и при отсутствии заметного влияния износа инструмента распределе-
ние большинства погрешностей подчиняется закону Гаусса и можно
принять 1/Ку =1,0. Однако для того чтобы учесть возможное на
практике отступление распределения отдельных составляющих сум-
марной погрешности от закона Гаусса, в расчетной формуле (3.44)
часто принимают (для создания некоторой гарантии точности) значе-
ние 1/Ау = 1,2.
Рассеяние операционных размеров обрабатываемых деталей есть
следствие многочисленных случайных воздействий на отдельные
элементы (звенья) технологической системы одновременно и незави-
симо друг от друга. По своему происхождению эти воздействия могут
быть объединены в определенные группы, вызывающие свою долю
общего рассеяния размеров. При расчете Ду “=	А.А. Маталин
элементарные случайные погрешности объединяет в три группы:
погрешности, связанные с методом обработки ым, с установкой детали
на станок ыу и настройкой станка <лн. Значения погрешностей toy и ь>н
определяют по формулам
1 о Г* г	<3.44)
“у = i.2/“6+ % + “пр;
“н =	.
(3.45)
54
Суммарная погрешность обработки в этом случае определяется
по формуле
*	□ь 1 о / 2 . 2^2	(3.46)
Ду — (<>у = ь>у + 1,2г СО.. + со + со,, .
^пост	I М Н У
Численные значения составляющих общей погрешности обработки
соу (сом, cog, со3, соПр, со^ и др.) определяются для конкретных условий
выполнения операций по фактическим значениям полей рассеяния
или приближенно по справочным, литературным и статистическим
данным.
По статистическим данным величина поля рассеяния метода обра-
ботки сом составляет: для средних револьверных станков — 0,016...
0,039 мм, токарных — 0,13—0,036 мм, круглошлифовальных —
0,004...0,017 мм. Поле рассеяния, связанное с закреплением детали
ь>3, в среднем составляет: в тисках — 0,05...0,2 мм, прихватами —
0,01...0,2 мм, в цанговом и трехкулачковом самоцентрирующемся
патронах <без выверки) — 0,02...0,1 мм. Погрешность приспособлений
й>Пр = 0,005...Ь,02 мм. Рассеяние, связанное с погрешностью регулиро-
вания topgp, составляет: при установке по лимбу или по индикато-
ру — 0,01.-0,06 мм; по жесткому упору — 0,02—0,10 мм; по индика-
торному упору — 0,005...0,015 мм; по эталонной детали — 0,10...
0,13 мм. Поле рассеяния, характеризующее погрешность измерения
пробных деталей, составляет: при измерении штангенциркулем с
ценой деления 0,02 мм соизм = 0,045 мм, при измерении штанген-
циркулем i ценой деления 0,05 мм = 0,09 мм, при измерении
микрометром — 0,006—0,014 мм. Погрешности базирования cog и
смещения <асм определяются расчетами в зависимости от формы
опорных поверхностей и простановки размеров, а также от значения
о для данного случая.
Величина — алгебраическая сумма неустранимых при
настройке станка систематических постоянных погрешностей, возни-
кающих при обработке деталей и влияющих на их размеры, и наи-
больших значений переменных (закономерно изменяющихся) систе-
матических погрешностей.
Формулы (3.44)...(3.46) могут быть использованы также и для
выявления основных направлений повышения точности отдельных
операций технологического процесса. Например, возникла необходи-
мость уменьшить общую погрешность обработки, так как она превы-
шает поле допуска обрабатываемой детали на данной операции.
Анализ формулы (3.46) показывает, что эту задачу можно решать
по-разному.
55
В -первую очередь следует уменьшить систематические постоянные
погрешности , существенно влияющие на общую погрешность.
Погрешность настройки сон можно уменьшить путем сокращения
погрешности измерения ыизм пробных деталей, применяя более
точные измерительные инструменты, а погрешности-регулирования
°рег— использованием более точных установочных устройств, усовер-
шенствованием конструкции механизмов перемещения и отсчетных
лимбов станков.
Погрешность закрепления &>3 можно снизить благодаря примене-
нию более совершенных конструкций приспособлений, обеспечиваю-
щих более плотный прижим базовых поверхностей к жестким и
точным установочным элементам.
Погрешность базирования cog можно резко уменьшить правильным
выбором формы установочных элементов приспособлении, базовых
поверхностей детали и совмещением технологических и измеритель-
ных баз.
Снижение погрешности метода обработки ым обычно достигается
применением более точных, но менее производительных токарных,
шлифовальных и доводочных станков.
Расчетно-аналитические методы определения общей погрешности
обработки рекомендуются для использования в проектно-технологи-
ческих организациях и в отделах главного технолога завода при
выполнении расчетов для сопоставления точности обработки данной
поверхности детали разными технологическими вариантами.
Пример. На вертикально-фрезерном станке торцевой фрезой обрабатывается
плоскость корпусной детали- Необходимо определить суммарную погрешность опера-
ционного размера, имеющего допуск 0,2 мм.
Для данных условий выполнения операции суммарная погрешность содержит
следующие первичные погрешности: геометрическая погрешность станка 0,03 мм;
погрешность базирования отсутствует (установочная и измерительная базы совмеще-
нье; погрешность закрепления детали в приспособлении 0,02 мм; погрешность изготов-
ления приспособления 0,02 мм; погрешность изготовления фрезы отсутствует (настрой-
ка на размер ведется по наиболее выступающему зубу фрезы); погрешность настройки
фрезы на размер 0,04 мм; погрешность, связанная с размерным износом фрезы, также
отсутствует (ее можно компенсировать поднастройкой фрезы); погрешность измерений
0,09 мм; погрешность, вызванная отжатием фрезы от детали под действием сил
резания, 0,03 мм.
Полагаем, что при данных условиях обработки детали распределение первичных
2
погрешностей будет близким к закону Гаусса, поэтому значение коэффициентов Л,-
56
принимаем равным 0,111’. Допуская ожидаемый брак р - 1 %, по табл. 3.2 находим
значение коэффициента риска z - 2,57. Суммарную погрешность контролируемого
размера определим по формуле
= <«>£ = if-
= 2,57 Д 111 (О.ОЗ2 + 0.022 * 0,02? ♦ 0.042 + О,О92 + о.ОЗ2) - 0,095 мм
Опытно-статистические методы определения суммарной погреш-
ности обработки. Суммарную погрешность контролируемого опера-
ционного параметра можно определить методами кривых распределе-
ния и -точечных диаграмм.
Методом кривых распределения суммарную погрешность опреде-
ляют обычно на основе статистической обработки мгновенных выбо-
рок. В этом случае для обследуемой совокупности обработанных
деталей рассчитывают основные характеристики распределения:
среднее арифметическое значение размера Lcp и среднее квадратичес-
кое отклонение погрешности и; строят практическую кривую распре-
деления и на основе их анализа выбирают теоретический закон
распределения рассматриваемой партии деталей.
Погрешность обработки или поле рассеяния для нормального
закона рассеяния принимаем равным со ==• би, а для других законов
значения £ср, о и со рассчитывают по формулам, приведенным в
табл. 3.4.
Суммарная операционная погрешность обработки	определяется
по формуле
“Е = “поет ф “₽	(3-47>
где wn0CT — поле рассеяния размеров, обусловленное постоянными
систематическими погрешностями, о>р — поле рассеяния размеров,
обусловленное случайными и систематическими переменными по-
грешностями.
Составляющая ыпост суммарной погрешности обработки определя-
ется из совместного анализа значений допуска иа размер и поля
рассеяния для выбранного закона распределения.
Построение и анализ точечных диаграмм также позволяют опреде-
лить результирующую погрешность обработки.
При распределении погрешностей по закону треугольника (закон Симпсона) Л, -
“ 0,166 (1/6), по закону равной вероятности А* -0,333 (1/3).
57
Таблица 3.4
Формулы для расчета Lcp, а и ы при различных законах рассеяния
размеров обрабатываемых деталей
Закон рассеяния элементарных слу- чайных погрешнос- тей	Среднее арифмети- ческое значение размера Lcp	Среднее квадрати- ческое отклонение размера с		Поле рассеяния ы
Закон нормального распределения (за- кон Гаусса), см. рис. 3.4	1 * —Y^Lm, п 1			6а
Закон треугольника (закон Симпсона), см. рис. 3.8	li. —zA-m. n 1	fL. -		2^/бо я 4,90с
Закон равной веро- ятности, СМ: рИС. 3.7	a + b 2	0,5771 2/3 /3		2/Зо = 3,46л
Закон эксцентриси- тета (закон Рэлея), см. рис. 3.9	J?-«'x2+y2 W4=o	°х “ ° у" °0 с0- Oj?/0,655 ^-1,920^-1,25300		3,44о0 - 5,25ок
Композиция законов Гаусса и равной вероятности (функ- ция с((), см. рис. 3.11)		а‘=у "Л	г Р U + — = 	3 **5к-	(4.74...3,56)аа (для А. - 3...24)
Опытно-статистические методы определения суммарной погреш-
ности обработки следует использовать главным образом в процессе
изготовления деталей в реальных условиях производства.
Выбор допуска на операционный размер.
Зная суммарную погрешность обработки, назначают допуск на опера-
ционный размер и выбирают соответствующий метод обработки,
пользуясь данными об экономической точности обработки.
3.5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ
С повышением точности трудоемкость и стоимость обра-
ботки детали увеличиваются. Это связано с тем, что для уменьшения
погрешности необходимо использовать более точные станки и инстру-
менты, рабочих высокой квалификации. Проф. А.П. Соколовский
предложил следующую зависимость времени обработки Т от
точности:
58
Рис. 3.15. Зависимость времени обработки Т и
стоимости Q от погрешности обработки
Т = Та .	(3.48)
где Та — постоянная, соответствующая
минимально возможной затрате време-
ни для рассматриваемого метода обра-	ыа	ш
ботки; соу — суммарная погрешность размера при обработке данным
методом; А и к — коэффициенты.
Зависимость стоимости обработки от точности Q = <p(o>) будет
аналогичной, т.е. кривая зависимости близка к гиперболе (рис. 3.15).
На кривой зависимости Т = /(й>) (рис. 3.15) То — это время, кото-
рое необходимо затратить на обработку детали данным методом
независимо от требуемой точности, а о>о — минимально допустимая
погрешность при данном методе обработки. Кривую Т =» /<<л) можно
условно разделить на три участка: А, В, С. На участке Л, значитель-
но увеличивая затраты времени Т и средств Q на обработку, можно
получить лишь небольшое повышение точности. Точность, которая
достигается при такой обработке, называют достижимой точностью.
Работа с допусками со0 < б < неустойчивая, часто сопровождается
браком. К работе в таких условиях обычно прибегают, когда нет
возможности использовать более точный метод обработки, например
точение валиков по 7.„5-му квалитету вместо шлифования.
На участке С при небольшом увеличении Т и Q можно заметно
повысить точность, т.е. в этом случае ошибочно выбран метод обра-
ботки с большим запасом точности, например, если поверхность
детали с большим допуском на изготовление обрабатывается на
прецизионном станке. Работа с точностью б > ыв, соответствующая
участку кривой С, неэкономична.
В большинстве случаев практики работают с точностью и>А...и>в,
соответствующей участку В кривой, называемой участком экономи-
ческой точности рассматриваемого метода. Для определения границ
области экономической точности данного метода необходимо сравнить
его не только по точности, но Й по производительности (времени
обработки) и по стоимости с другими методами, которые можно
применить для выполнения заданной операции.
Сравнивая, например, три метода обработки — 1, 2, 3 (рис. 3.16),
видим, что из них наиболее ’’грубым” является метод 3, а наиболее
точным — метод 1. Метод 2 занимает промежуточное положение. При
59
Рис. 3.16. Зависимость стоимости от точности
различных методов обработки деталей
допуске Й > coj следует использовать
метод 3, а при Й < ь>2 — метод 1. При
допуске о>2 < й < toj целесообразно
применить метод 2.
Областью экономической точности
метода 2 является интервал coj—w2,
соответствующий участку В кривой
(см. рис. 3.16). За численное значе-
ние экономической точности метода 2
можно принять значение допустимой погрешности 0,5 ( g> j + ь>2), а
стоимость обработки находится в пределах Q2—Q]. Таким образом,
экономическая точность какого-либо метода обработки — это та
точность, для получения которой затраты при применении данного
метода обработки не превышают затрат при применении других
методов, пригодных для обработки такой же поверхности детали.
Выбор метода обработки из условий точ-
ности. Технолог, разрабатывая технологический процесс механи-
ческой обработки детали .и анализируя возможные методы обработки
заданной поверхности, решает, какой из них будет предпочтителен,
руководствуясь при этом таблицами экономической точности обра-
ботки детали. Таблицы значений экономической точности различных
методов обработки являются одним из основных руководящих мате-
риалов для технологов при выборе метода обработки и значении
допусков на операционные размеры для данной поверхности детали.
Они приводятся в справочниках технолога и конструктора.
Для деталей двигателя, существенно влияющих на ресурс и на-
дежность его работы (лопатки и диски турбины и компрессора, валы
и другие детали), выбор метода обработки рабочих поверхностей
детали несколько иной. В этом случае технолог рассматривает раз-
личные методы обработки прежде всего из их возможности обеспече-
ния оптимального физико-химического состояния поверхностного
слоя для заданных условий эксплуатации, ресурса и надежности ее
работы и только потом уже из этих методов обработки выбирает
наиболее экономичный и производительный.
Значения экономической точности обработки не остаются неиз-
менными. С прогрессом в станкостроении в производстве режущего
инструмента, в технологии машиностроения достижение заданной
точности становится более экономичным.
60
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Что такое точность детали?
2.	Какие существуют виды погрешностей и основные причины их возникновения?
3.	Какими методами рассчитывают точность обрабатываемой детали?
4.	Как определяется суммарная погрешность контролируемого параметра?
5.	Каковы основные законы распределения погрешностей при механической
обработке деталей?
6.	Что такое экономическая точность обработки деталей?
ГЛАВА 4. ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ
4.1.	ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ ДЕТАЛИ
В процессе изготовления и эксплуатации детали на ее
поверхности возникают неровности; в слое металла, прилегающем к
ней, изменяются структура, фазовый и химический состав. В детали
возникают остаточные напряжения.
Наружный слой детали с измененными структурой, фазовым и
химическим составом по сравнению с основным металлом, из которо-
го изготовлена деталь, называется поверхностным слоем. Внешняя
поверхность слоя граничит с окружающей средой или с сопряженной
деталью.
В поверхностном слое (рис. 4.1) можно выделить следующие
основные зоны:
зону 1. адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов
органических и неорганических веществ (например, воды, СОЖ,
растворителей, промывочных жидкостей), ее толщина 1...102 нм;
зону 2 продуктов химического взаимодействия металла с окру-
жающей средой (обычно оксидов) толщиной 10“3...1 мкм;
граничную зону 3 толщиной в несколько межатомных расстояний;
металл в этой зоне имеет иные, чем в объеме, кристаллическую и
электронную структуры;
Рис. 4.1. Схема поверхностного слоя детали:
1 — адсорбированная зона; 2 — зона оксидов; 3 —
граничная зона металла; 4 — зона металла с изме-
ненной структурой, фазовым и химическим соста-
вом; 5 — основной металл
61
Технологи^ изеотаТхения детали
Рис. 4.2. Взаимосвязь поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами,
ресурсом и надежностью деталей
зону 4 с измененной структурой, фазовым и химическим соста-
вом, она возникает в процессе изготовления и эксплуатации детали,
обычно ее толщина 0,01... 0,1 мм.
Неровности на поверхности детали, структура, фазовый и хими-
ческий состав поверхностного слоя влияют на ее физико-химические
и эксплуатационные свойства.
Поверхностный слой оказывает существенное влияние на надеж-
ность работы детали и машины в целом. При эксплуатации повер-
62
хностный слой детали подвергается наиболее сильному физико-
химическому воздействию: механическому, тепловому, магнитоэлек-
трическому, световому, химическому и др. Потеря деталью своего
служебного назначения и ее разрушение в большинстве случаев
начинается с поверхности, например развитие усталостной трещины,
износ, эрозия, коррозия.
Взаимосвязь поверхностного слоя с физико-химическими и экс-
плуатационными свойствами детали показана на рис. 4.2.
4.2.	ШЕРОХОВАТОСТЬ И ВОЛНИСТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
Идеально правильную поверхность нельзя получить с
помощью какого-либо метода обработки. Реальная поверхность
детали несовершенна: суждение о степени несовершенства зависит от
масштаба рассмотрения. Можно рассматривать отклонения от геомет-
рической правильности поверхности макро-, микро- и субмикроско-
пического порядка.
Макрогеометрические отклонения рассматриваются на больших
участках реальной поверхности детали, они характеризуют ее точ-
ность; микрогеометрия — на малых участках реальной поверхности
с длиной стороны квадрата от 10 мм до 10 мкм. Геометрическое
представление о форме такой поверхности принято называть шерохо-
ватостью.
Субмикроскопические неровности рассматриваются на участках
поверхности, размер стороны квадрата которой изменяется от 1 до
10 мкм. Геометрические несовершенства этой области определяются
молекулярной структурой поверхности, они пока не имеют специаль-
ного назначения, почти совершенно не изучены, так как лежат за
пределами чувствительности современных приборов.
Геометрические отклонения поверхностей различают также в
зависимости от отношения длины шага S к высоте неровностей Н:
если S/Я > 1000 — макроскопические отклонения или отклонения от
правильной геометрической формы (конусность, овальность, вогну-
тость и др.), если S/Я составляет от 50 до 1000 — волнистость повер-
хности и если S/Я < 50 — шероховатость поверхности (рис. 4.3).
Параметры волнистости и шероховатости поверхности и их
нормирование. Волнистость поверхности — совокупность периоди-
чески повторяющихся неровностей, расстояние между которыми
значительно превышает их высоту. Волнистость занимает промежу-
точное положение ’между отклонением от правильной геометрической
формы и шероховатостью поверхности.
Волнистость определяется на перпендикулярном сечении повер-
хностей, исключая при этом шероховатость и отклонения от геомет-
63
Рис. 4.3. Неровности поверхности:
а — профиль поверхности; б — шероховатость; в — волнистость; г — макрогеометрия
рической формы. Волнистость может образоваться на поверхности
детали при изготовлении в результате вибрации из-за недостаточной
жесткости технологической системы, геометрических, кинематичес-
ких и динамических погрешностей процесса обработки (технологичес-
кая волнистость) и в процессе эксплуатации машины (эксплуатаци-
онная волнистость). Технологическую волнистость различают: попе-
речную — с разложением волн перпендикулярно к движению режу-
щего инструмента и продольную — волнистость в направлении дви-
жения инструмента.
Волнистость поверхности до настоящего времени не стандартизо-
вана и при ее назначении руководствуются отраслевыми нормами
или рекомендациями Института машиноведения РАН. Числовые
значения высоты волнистости следующие:
Класс волнистости.	.	I	И	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
Предельная высота волны,
мкм......................... 1	2	4	8	16	32	64	125	250
64
Для оценки волнистости поверхности установлено три параметра:
высота волнистости wz (высота волны), наибольшая высота волнис-
тости и средний шаг волнистости Sw (рис. 4.3, в).
Высота волнистости wz — среднее арифметическое значение из
пяти значений высоты волнистости, измеренных на длине базовой
линии, равной не менее пятикратного наибольшего шага волнистости:
1 5
<4Л)
Числовые значения высоты волнистости wz выбирают из ряда: 0,1;
0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25; 50; 100; 200 мкм.
Наибольшая высота волнистости wmax — расстояние между
наивысшей и наинизшей точками профиля волнистости, измеренное
на одной полной волне в пределах базовой длины liV.
Средний шаг волнистости Sw — среднее арифметическое значе-
ние расстояний 5^ между одноименными сторонами соседних волн,
измеренных по средней линии профиля mw в пределах базовой
длины:
S = 1 у S .	<4-2>
п i = 1
На практике используют высоту волны и ее шаг. В ряде отраслей
промышленности волнистость оценивается только по высоте волны.
Так, при шлифовании колец подшипников качения (диаметр 18...
120 мм) класса Я (класс 0) волнистость составляет 40... ПО % шеро-
ховатости, а по классу С (11...13-й квалитет) — 15...60 %.
Волнистость можно измерять универсальными приборами (индика-
тором, индуктивными преобразователями, оптиметром, проектором
и др.), приборами для контроля отклонений формы и шероховатости
поверхности (кругломером, профилометром-профилографом и .др.),
а также специальными приборами — волнографами и волномерами.
В большинстве случаев волнистость поверхности изменяет физико-
химическое состояние поверхностного слоя, а следовательно, и экс-
плуатационные свойства деталей и узлов машины (трение и износ,
отражательную способность поверхности, герметичность сопрягаемых
поверхностей, точность посадок).
Волнистость влияет на взаимное расположение поверхностей и
осей деталей в узле машины, на величину натяга при прессовых,
Ззак 1398
65
глухих и других посадках и соединениях, иа величину зазора переме-
щающихся деталей.
Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей с
относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности.
Шероховатость после механической обработки — это геометричес-
кий след режущего инструмента (металлического или абразивного),
искаженный в результате пластической и упругой деформаций и
сопутствующий процессу резания вибрацией технологической систе-
мы.
Шероховатость поверхности принято определять по ее профилю,
представляющему собой линию пересечения поверхности плоскости,
перпендикулярной к направлению неровностей. Профиль рассматри-
вается на длине базовой линии, относительно которой определяются
и оцениваются параметры шероховатости.
Для нормирования и оценки шероховатости поверхности имеются
около 30 параметров. Основные из них, принятые в большинстве
национальных стандартов по шероховатости промышленно развитых
стран: наибольшая высота неровностей профиля JRmax, высота неров-
ностей Rz, среднее арифметическое Ra и среднее квадратическое RQ
отклонение профиля, средний шаг неровностей Sm, средний шаг
неровностей по вершинам S, относительная опорная длина профиля
tp и направление неровностей на поверхности (более подробно см. [4,
12], ГОСТ 2789-73, ГОСТ 2.309-73).
Методы и средства измерения шероховатости поверхности.
Оценка шероховатости поверхности может осуществляться качествен-
ными и количественными методами. Качественные методы оценки
основаны на сравнении обработанной поверхности с образцами
шероховатости. Количественные методы оценки основаны на измере-
нии микронеровностей специальными приборами.
Контроль шероховатости путем сравнения со стандартными образ-
цами или с аттестованной деталью прост и широко распространен в
цеховой практике. При этом контроле сравнивают шероховатость
поверхности проверяемой детали с поверхностью образца, изготов-
ленного из того же материала и обработанного аналогичным спосо-
бом. Сравнение производят визуально невооруженным глазом или
осязанием, проводя ногтем поперек следов обработки. Этот метод
обеспечивает надежную оценку шероховатости до Ra = 5...0,63.
Для более чистых поверхностей (Ra = 0,32...0,08) сличение шеро-
ховатости проверяемой детали с эталоном производят с помощью
специальных микроскопов сравнения.
Количественные методы измерения шероховатости предусматрива-
ют использование специальных приборов. Шероховатость поверхнос-
ти деталей измеряют бесконтактными и контактными методами.
66
Наибольшее распространение для бесконтактных измерений
шероховатости получили: приборы светового сечения (ППС), теневой
проекции и интерференции света. ППС позволяют измерять шерохо-
ватость поверхности до Rz = 0,63 мкм, а микроинтерферометры
(МИИ-4, МИИ-5, МИИ-10, МИИ-12) — в интервале Rz = 0,8...
0,03 мкм.
Для определения шероховатости наибольшее распространение
нашли щуповые приборы. Контактно-щуповые приборы работают по
методу ощупывания проверяемой поверхности алмазной иглой. К
этой группе приборов относятся профилометры, непосредственно
показывающие среднее арифметическое отклонение профиля повер-
хности Ra, и профилографы, записывающие профиль поверхности.
Алмазные иглы к профилометрам и профилографам имеют коничес-
кую форму с закруглением при вершине. Радиус закругления иглы
должен быть 10+2 мкм, для профилографов повышенной точности
применяют -иглы X г = 2+2 мкм. Отечественная промышленность
выпускает следующие щуповые приборы: профилограф-профилометр
модели 250 и профилометр модели 280. Профилометром можно
измерить шероховатость поверхности в интераале Ra = 5...0,05 мкм.
4.3.	ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Образование поверхностного слоя при обработке резани-
ем можно представить следующей схемой (рис. 4.4). При внедрении
режущего инструмента в обрабатываемый металл волна пластической
деформации, распространяясь впереди резца, охватывает не только
срезаемый слой, но и металл, расположенный впереди резца и за
линией среза.
Поскольку в зоне резания режущая кромка резца не является
геометрической линией, а из-за скругления вершины представляет
некоторую поверхность, то металл вновь возникающей поверхности
у самой режущей кромки подвергается воздействию нормальной
сжимающей силы и силы трения, действующей в направлении линии
среза. Нормальная сила будет вызывать деформацию сжатия, а сила
трения — деформацию растяжения поверхностного слоя, прилегающе-
го к задней грани резца.
Таким образом, в процессе резания поверхностный слой детали
подвергается неоднородной пластической деформации, монотонно
затухающей по глубине слоя.
Пластическая деформация сопровождается структурными измене-
ниями в металле поверхностного слоя. В кристаллической структуре
резко возрастает число дислокаций, вакансий и других дефектов
3*
67
Рис. 4.4. Схема образования
поверхностного слоя при
резании
решетки. Происходит
дробление зерен на фраг-
менты и блоки с угловой
их разориентацией. Из-
меняются форма и раз-
меры зерен, у поверхнос-
ти они измельчаются и
вытягиваются, ориентируясь в направлении усилия деформирования,
образуя иногда текстуру.
При пластической деформации около 10 % затраченной энергии
поглощается металлом, из них 98 % составляет энергия искажения
кристаллической решетки. Внутренняя энергия деформированного
металла поверхностного слоя возрастает. Металл переходит в нерав-
новесное состояние, становится термодинамически неустойчивым,
метастабильным. В металле поверхностного слоя могут протекать
твердофазные реакции.
Упругопластическое деформирование в процессе механической
обработки изменяет структурно чувствительные физико-химические
свойства металла поверхностного слоя по сравнению с исходным его
состоянием. В деформированном поверхностном слое возрастают
характеристики сопротивления деформированию: предел упругости,
текучести, прочности, усталости. Снижаются характеристики плас-
тичности: относительное удлинение и сужение, повышаются твер-
дость, хрупкость (уменьшается ударная вязкость), внутреннее тре-
ние, уменьшается плотность.
В поверхностном слое изменяются электрические и магнитные
свойства: заметно повышается электросопротивление, увеличивается
остаточный магнетизм (петля магнитного гистерезиса) и коэрцитив-
ная сила. Магнитная проницаемость с увеличением наклепа понижа-
ется.
В условиях эксплуатации (особенно при высокой температуре и
агрессивной среде) в деформированном металле усиливаются корро-
зия и растрескивание, повышается диффузионная подвижность
атомов. Последняя вызывает разупрочнение и обеднение легирующи-
ми элементами металла поверхностного слоя.
В результате пластического деформирования металл поверхностно-
го слоя упрочняется. Прирост сопротивления деформированию с
увеличением степени пластической деформации называется деформа-
ционным упрочнением или наклепом.
68
Дислокационная теория объясняет деформационное упрочнение в
предположении, что пластическая деформация металлического
кристалла сопровождается возникновением внутри его большого
числа дислокаций, их взаимодействием и передвижением под влияни-
ем силовых полей.
Движение дислокаций может тормозиться границами блоков,
фрагментов, препятствиями, возникающими между дислокациями,
движущимися по пересекающимся плоскостям скольжения, и др.
В процессе механической обработки в зоне резания возникает
тепло. Нагрев деформированного металла поверхностного слоя при
температурах 0,25...0,3 Тпл вызывает в нем возврат (отдых, полиго-
низацию), а при температурах нагрева выше 0,4	— рекристалли-
зацию, что сопровождается частичным или полным снятием деформа-
ционного упрочнения. Таким образом, в процессе механической
обработки в поверхностном слое детали протекают два взаимно
исключающих процесса: деформационное упрочнение и разупрочне-
ние. Физическое состояние поверхностного слоя детали определяется
соотношением интенсивности и скорости протекания этих процессов
при обработке резанием. В зависимости от интенсивности и продо-
лжительности механотермического воздействия на металл поверхнос-
тного слоя и его взаимодействия с металлом режущего инструмента
и окружающей средой в поверхностном слое мотут произойти измене-
ния фазового и химического составов.
В детали следует различать поверхностный слой и его наружную
часть — граничную зону.' Специфичность химических, физических и
энергетических условий тонкой граничной зоны резко выделяет эту
часть поверхностного слоя.
Поверхность твердого тела по сравнению с его внутренним строе-
нием имеет ряд особенностей. Любой атом, расположенный внутри
твердого тела с идеальной кристаллической решеткой, находится в
состоянии подвижного устойчивого равновесия, поскольку для него
по всем направлениям .интенсивность силового поля одинакова. В
ином • положении оказываются атомы, которые находятся у повер-
хности: они имеют только односторонние связи — в объем тела,
поэтому металл в граничной зоне находится в нестабильном состоя-
нии. Атомы этой зоны имеют избыточную энергию по сравнению с
атомами, находящимися в объеме.
Поверхность металла обладает повышенной химической актив-
ностью и в реальных условиях неизбежно адсорбирует атомы элемен-
тов окружающей среды, покрываясь слоями адсорбированных газов,
паров воды и жиров. Слой жира достигает нескольких сот микрон,
пленка сконденсированных водяных паров составляет 50...100 слоев
молекул. Жирные пленки прочно связаны с поверхностью металла и
69
не удаляются обычными механическими и химическими средствами.
После промывки деталей керосином или бензином на поверхности
остается слой жиров в 1...5 мкм. Очень тщательной очисткой можно
довести толщину слоя жиров до 0,1...0,001 мкм (примерно 100...
10 рядов молекул).
Воздействие внешней среды приводит к образованию на повер-
хности металла различных соединений, прежде всего различных
оксидов. Они быстро возникают в результате влияния атмосферного
кислорода. Толщина наружной пленки в окисляющихся металлах
равна примерно 200...1000 нм (10...20 слоев молекул). Например,
оксидная пленка равна 100...200 им, пленка алюминия — 1000...
1500 нм.
В результате диффузии в поверхностном слое могут возникнуть
химические и иные соединения основного материала с проникающи-
ми извне веществами. Диффузионная подвижность атомов может
привести к перераспределению концентрации легирующих элементов,
способствуя этим в отдельных случаях обеднению поверхностного
слоя некоторыми легирующими элементами (обезуглероживание
поверхностных слоев в сталях и обеднение поверхностного слоя
хромом и алюминием в жаропрочных никелевых сплавах при высо-
ких температурах и др.). ' ’•
Значительное влияние на физико-химическую активность отдель-
ных поверхностных зерен оказывают остаточные напряжения (макро-
напряжения), степень пластической деформации и др.
Исследованиями академика П.А. Ребиндера и его учеников уста-
новлено значительное влияние на прочность металлов расклиниваю-
щего действия адсорбированных пленок жидкостей в поверхностных
трещинах металлов (эффект Ребиндера). Молекулы некоторых
адсорбированных на поверхности веществ обладают высокой актив-
ностью. Распространяясь на поверхности, они попадают в микротре-
щины, в глубине которых производят сильное расклинивающее
действие, равноценное действию дополнительно приложенного к телу
растягивающего усилия. Следствием такого воздействия на металл
'является снижение его прочности, облегчение деформации. Чём щель
уже, тем сильнее расклинивающее действие адсорбированных пленок
(ширина щели не более 0,1 мкм).
Для оценки физико-химического состояния поверхностного слоя
после механической обработки рекомендуются следующие параметры.
Пластическое деформирование характеризуют изменением степени
пластической деформации по глубине поверхностного слоя (послой-
ная степень деформации) £ и степени деформации отдельных
зерен £3.
70
Деформационное упрочнение (наклеп) поверхностного слоя оцени-
вают толщиной деформированного слоя hc и степенью деформацион-
ного упрочнения пн, часто называемых соответственно глубиной и
степенью наклепа, а интенсивность наклепа по глубине поверхнос-
тного слоя — градиентом наклепа нгр, являющимся важным парамет-
ром поверхностного наклепа после окончательной и отделочной
обработки пс
пн
силовых деталей:
^^шах ^А^исх IQQ о/
"“исх
&нм 100
"Ч,Сх
(4.3)
- НМЖХ
к
гр
ЛНМ
ям
максимальная и
исходная микротвердости
г® нмг..:,, и
поверхностного слоя.
Непосредственное определение степени деформации поверхностно-
го слоя имеет трудности, поэтому обычно ограничиваются определе-
нием параметров деформационного упрочнения.
Для определения глубины, степени и градиента наклепа наиболь-
шее распространение получили методы измерения микротвердости на
поверхности косых срезов и при послойном стравливании, а также
методы рентгеноструктурного анализа.
. Глубина наклепанного слоя относительно невелика: от нескольких
микрометров (доводка, полирование, тонкое шлифование) до 200...
250 мкм (черновое точение, строгание, фрезерование). При особо
тяжелых условиях резания (большая подача и глубина резания,
малые скорости резания, отрицательные передние углы) глубина
поверхностного наклепа может достигать 1 мм и более. Степень
наклепа обычно составляет от 20 до 60 %. Градиент наклепа у
жаропрочных сплавов после шлифования абразивной лентой с шеро-
ховатостью поверхности Rz = 20—0,40 мкм равен соответственно
(27...40)  103.
В качестве основных параметров для характеристики атомно-
кристаллической структуры металла поверхностного слоя рекоменду-
ются размеры блоков <Ь>, измеряемые в нанометрах или ангстремах
(Л), и углы их разориентирования ag, составляющие обычно от не-
скольких минут до 2—3°.
Оценку искаженности кристаллической решетки металла повер-
хностного слоя можно производить по изменению ее параметров а,
Ь, с, а, р, у, а также по концентрации вакансий и плотности дисло-
каций.
71
Вакансия — незанятое место в узле кристаллической решетки.
Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, когда соседствующий
с ней атом переходит в ’’дырку”, оставляя пустым свое старое место.
Повышение температуры, тепловой подвижности атомов увеличивает
число таких атомов и увеличивает число вакансий. Отношение числа
вакансий к числу атомов п в данном объеме называют концентра-
цией вакансий С ~ nv!n. Число вакансий при комнатной температуре
очень мало, примерно одна вакансия на 1018 атомов, но сильно
увеличивается с повышением температуры, особенно вблизи темпера-
туры плавления <одиа вакансия на 104 атомов).
Дислокации — линейный дефект кристаллической решетки, не
двигающейся самопроизвольно и хаотически, как вакансия. Однако
достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала дви-
гаться. Характеристикой дислокаций является плотность дислокаций:
суммарная длина дислокаций в сантиметрах, приходящаяся на 1 см3,
ее размерность — р, см-2. Для металлов плотность дислокаций
колеблется обычно в пределах 108...1013 см""2, т.е. от десятков тысяч
до миллионов километров дислокаций в одном кубическом санти-
метре.
Параметры атомно-кристаллической структуры определяют мето-
дами рентгеноструктурного анализа. Изменения фазового состава
поверхностного слоя можно оценивать по дисперсности, форме,
ориентировке и распределению фаз по толщине слоя, особенностям
кристаллической структуры фаз.
Химический состав поверхностного слоя и его фаз можно характе-
ризовать элементным составом, концентрацией и их распределением.
В настоящее время для исследования структурно-фазового состояния
(СФС) и элементного состава используют множество различных
методов. Для исследования СФС наибольший интерес представляют
методы прямого исследования СФС, позволяющие в отличие от
косвенных методов непосредственно определять характеристики СФС.
В числе прямых методов наиболее важными являются дифракцион-
ные и микроскопические. Наиболее перспективными методами опре-
деления параметров химического состава поверхностного слоя дета-
лей являются рентгеновский микроанализ, вторичная ионная масс-
спектроскопия и электронная оже-спектроскопия, обладающие высо-
кой разрешающей способностью.
4.4.	ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Остаточными напряжениями принято называть такие
напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри
твердого тела после устранения причин, вызвавших их появление.
Появление остаточных напряжений связано с условиями изготовле-
ния и эксплуатации деталей.
72
Н.Н. Давиденков предложил классифицировать эти напряжения
по протяженности силового поля:
напряжения I рода (макронапряжения) охватывают макрообьемы.
соизмеримые с размерами детали;
напряжения II рода (микронапряжения) распространяются в
микрообъемах (отдельных зернах, блоках и их группах);
напряжения III рода локализуются в субмикрообьемах, линейный
размер которых соизмерим по величине с межатомным расстоянием.
Считается, что эти напряжения вызываются точечными дефектами.
Последние приводят к смещению атомов из узлов решетки (статичес-
ким искажениям).
Макронапряжения. Остаточные напряжения в детали возникают
в результате воздействия различных технологических процессов при
ее изготовлении.
Каждый технологический процесс, участвующий в механизме
образования остаточных напряжений детали, имеет свои особенности,
но в основе его лежит необратимое неоднородное распределение
деформации по объему детали.
Неоднородное деформированное состояние детали может возни-
кнуть:
после неоднородной пластической деформации в результате обра-
ботки металла или заготовки волочением, прокаткой, ковкой, холод-
ной правкой, резанием, поверхностным пластическим деформирова-
нием, а также вследствие неоднородной пластической деформации
при нагреве и охлаждении;
вследствие неоднородного изменения объема при фазовых превра-
щениях как в твердом состоянии (закалка, старение, цементация
стали твердым карбюризатором и другие физико-химические процес-
сы), так и при неоднородном протекании фазовых превращений из
жидкого в твердое состояние и наоборот (цементация в жидких
ваннах, электролитическое осаждение металлов, усадка при кристал-
лизации отливки), а также из твердого в газообразное состояние и
наоборот (азотирование, цианирование и газовая цементация стали).
В реальных условиях остаточные напряжения обычно возникают
при одновременном действии различных факторов: механических,
тепловых и физико-химических. Так при пластической деформации
деталей из сложных сплавов остаточные напряжения могут возни-
кнуть в результате одновременного неоднородного протекания про-
цессов пластической деформации и фазовых превращений.
Реальное распределение макронапряжений в поверхностном слое
деталей после обработки резанием в первом приближении объясняют
действием двух факторов — механического (пластического деформи-
рования), обеспечивающего только сжимающие напряжения, и тепло-
73
вого (нагрева поверхностного слоя), являющегося причиной образова-
ния только растягивающих напряжений.
При обработке резанием вследствие трения между задней гранью
инструмента или наростом и вновь образуемой поверхностью детали
ее внешний слой подвергается пластической деформации растяжения,
а слой металла, лежащий ниже, растягивается упруго. После прохож-
дения резца упруго растянутый внутренний слой металла стремится
сжаться, но этому препятствует наружный пластически деформиро-
ванный слой. В результате во внешнем слое формируются напряже-
ния сжатия, а во внутреннем — растяжения.
Внешний слой металла, нагреваясь в процессе резания, удлиняет-
ся, однако этому препятствует более холодный внутренний слой,
следовательно, первый подвергается сжатию, а второй — растяжению.
При интенсивном нагреве напряжения на поверхности превзойдут
предел текучести, что вызовет пластическую деформацию сжатия
наружного слоя металла. Во время последующего охлаждения внеш-
ний слой сжимается до размеров, меньших первоначальных на вели-
чину пластической деформации сжатия. Этому будет препятствовать
упругонапряженный внутренний слой. В результате во внешнем слое
возникнут напряжения растяжения, а во внутренних — напряжения
сжатия.
Таким образом, в зависимости от условий обработки резанием
доминирующим может быть или механический фактор, и тогда на
поверхности возникнут макронапряжения сжатия, или тепловой
фактор, и тогда на поверхности возникнут макронапряжения растя-
жения. Схема будет нарушена, если процесс резания сопровождается
фазовыми превращениями, являющимися иногда более сильным
источником образования макронапряжений в поверхностных слоях,
чем механический и тепловой факторы.
Недостатком описанной модели образования макронапряжений
является условность в раздельном рассмотрении действий механичес-
кого и теплового факторов, а также то, что она не учитывает направ-
ление силовой нагрузки, действующей на поверхностный слой при
обработке детали. Эта условность не отвечает реальной картине
возникновения макронапряжений. Например, в зависимости от
направления силового поля в поверхностном слое детали могут
создаваться как растягивающие, так и сжимающие напряжения.
Микронапряжения. Остаточные микронапряжения обусловлены
наличием в металле дислокаций, дислокационных стенок (границ
блоков и ячеек), дефектов упаковки и других искажений кристалли-
ческой решетки, вызывающих деформацию и напряжения, которые
убывают с ростом г медленнее, чем Кроме того, микронапряже-
ния появляются в результате взаимодействия зерен между собой.
74
Действие внешней нагрузки вызывает в реальном поликристалличес-
ком теле неодинаковую деформацию соседних зерен. Это обусловлено
произвольной их ориентацией и анизотропией механических свойств
в кристаллах. Различие в степени деформации соседних зерен приво-
дит к появлению в них микронапряжений.
Неоднородность деформации обычно усиливается, если соседние
зерна представляют собой различные фазы, характеризующиеся
разными механическими и физическими свойствами. В многофазных
сплавах возникают межфазные микронапряжения.
При изменении температуры ’ микронапряжения появляются
вследствие наличия в материале различных фаз, имеющих разные
коэффициенты линейного расширения а, а также вследствие анизот-
ропии физических свойств отдельных зерен, обусловливающей разли-
чие в величине а вдоль разных кристаллографических направлений.
Основным методом исследования микронапряжений (или, точнее,
микродеформаций) является рентгеноструктурный анализ.
Статические искажения. В механике сплошных сред можно
показать, что точечный дефект вызывает упругую деформацию
е~г~3 (г — расстояние до дефекта) . Таким образом, на границе
зерна (блока) деформация и напряжение от такого дефекта имеют
конечную величину, пропорциональную R~3 (R — размер зерна или
блока). В то же время величина статических смещений атомов из
узлов решетки, обусловленных точечным дефектом, быстро убывает
с ростом г. Вызванные им статические искажения значительны лишь
на расстояниях, соизмеримых с межатомным. Смещения атомов
(деформацию решетки) в непосредственной близости от дефекта уже
нельзя определить в рамках механики сплошных сред. Поэтому
термин ’’напряжения III рода’’ весьма условный и правильнее гово-
рить о -’’статических искажениях решетки”. Основным методом
исследования статических искажений является рентгеноструктурный
анализ, позволяющий определить среднее квадратическое статическое
смещение атомов из узлов решетки (<м2>).
Методы определения остаточных макронапряжений. Наибольшее
распространение получили механические методы определения оста-
точных макронапряжений. Их можно разделить на две основные
группы: расчетные и экспериментальные (неразрушающие и разру-
шающие). Расчетные методы позволяют теоретически рассчитать
Дисперсные частицы новой фазы, выделяющиеся в зерне исходной фазы,
дислокационные петли и другие дефекты, имеющие в трех измерениях конечные
размеры, также приводят к деформации 3.
75
эпюру остаточных напряжений на основе данных о механических
свойствах обрабатываемого материала, форме и размерах детали и
условиях механотермического нагружения. Расчетные методы обычно
не позволяют с достаточной для практики точностью определять
остаточные напряжения при сложных процессах нагрева и деформи-
рования.
Экспериментальные неразрушающие методы, основываясь на
изменении размеров деталей в результате воздействия наведенных
остаточных напряжений, позволяют определить их величину; деталь
в этом случае не разрушают. Данный метод применяют при опреде-
лении остаточных макронапряжений в электролитических покрытиях
по деформации катода.
К экспериментальным разрушающим методам относятся методы
определения макронапряжений по деформациям, возникающим в
результате рассечения тела. Разрушающие методы основаны на
предположении, что разрезка детали по данному сечению эквивален-
тна приложению для оставшейся ее части напряжений обратного
знака. Эти обратные напряжения вызывают деформации детали или
силы реакции в устройствах, препятствующих деформации. Измеряя
возникшие деформации (деформационные методы) или силы реакции
(силовые методы), можно вычислить остаточные макронапряжения.
Экспериментальные разрушающие механические методы принято
разделять на методы, связанные с полным и частичным разрушением
детали. К последним относятся ’’метод отверстий” и ’’метод столби-
ка”, при помощи которых измеряют соответственно деформацию
оставшейся и отделяемой частей. Измерение деформации производит-
ся либо с помощью микроскопа по отпечатку алмазной пирамиды,
либо с помошью механических тензометров, рентгеновским методом,
либо с помошью датчиков активного сопротивления.
К методам, связанным с полным разрушением детали, принадле-
жат почти все известные в настоящее время механические методы
определения нормальных напряжений в стержнях с поперечным
сечением, постоянным по всей их длине, в трубах (толстостенных и
тонкостенных), пластинах, дисках и других телах простой геометри-
ческой формы. Развиваются методы определения остаточных напря-
жений в деталях сложной конфигурации (впадины зубьев шестерен,
надрезы, резьбы, острые кромки и др.).
Рентгеновские методы основаны на определении изменения меж-
плоскостного расстояния d в деталях при действии макронапряжении,
т.е. на измерении деформации решетки. Макронапряжения приводят
к однородному несимметричному изменению межплоскостного рас-
стояния для плоскостей hkl от до dQ + &d и, следовательно, сме-
щению дифракционной линии hkl на угол
76
де = -^-tge0 = -efco0,
%
<4.4)
где 6 — дифракционный угол, соответствующий состоянию без напря-
жений; е — деформация решетки.
* Обычно измеряют е вдоль нескольких направлений, составляющих
различные углы ip с нормалью к поверхности образца (метод sin2ty).
Считая состояние поверхностного слоя плосконапряженным, можно
рассчитать главные напряжения Gj и о2-
Показана необходимость учета в ряде случаев главного напряже-
ния о3, направленного вдоль нормали к поверхности детали. В то же
время установлено, что после строгания состояние поверхностного
слоя хотя и является плосконапряженным, однако одно из главных
направлений ие параллельно плоскости поверхности. При расчете
о£ст следует помнить об анизотропии механических свойств в крис-
талле.
Рентгенографические методы являются неразрушающими при
исследовании напряжений в тонкой приповерхностной зоне толщиной
/г < 2- 10“3 мм. Их применение целесообразно для определения
макронапряжений в деталях малых размеров и сложной формы.
Остаточные макронапряжения определяют также поляризационно-
оптическнм методом. При этом исследуют модели прозрачных и
полупрозрачных оптически активных материалов (эпоксидных смол,
поликарбоната, стекла, плексигласа, целлулоида и др.), обеспечив в
них геометрическое, тепловое и механическое подобие с деталью. В
таких материалах скорость поляризованного света зависит от ориен-
тации и величины главных напряжений, что позволяет по интерфе-
ренционной картине найти напряжения. Для этого используют
поляризационно-оптическую аппаратуру.
Преимуществом поляризационно-оптических методов является
возможность изучения на прозрачных моделях взаимодействия
остаточных напряжений с напряжениями от эксплуатационных
нагрузок. Недостатком поляризационно-оптических методов является
сложность и дороговизна аппаратуры.
4.5.	КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Для характеристики и оценки неровностей поверхности,
структуры, фазового и химического состава поверхностного слоя
деталей после различных методов и режимов обработки рекомендует-
ся следующая классификация параметров поверхностного слоя
(табл. 4.1).
77
.	Таблица 4.1
Параметры поверхностного слоя
Характеристика по- верхностного слоя	Наименование параметра	Обозначение
Неровности повер-	Наибольшая высота неровностей профиля.	
хпости:	мкм	
шероховатость	Высота неровностей профйля, мкм	R2
	Среднее арифметическое отклонение профи-	Ra
	ЛЯ, мкм	
	Среднее квадратическое отклонение профи-	к-.
	ЛЯ, мкм	
	Средний шаг неровностей профиля, мм	
	Средний шаг местных выступов профиля, мм	s
	Радиус скругления впадин неровностей, мкм	rw
	Относительная опорная длина профиля. %	t.
направление	Угол между направлением неровностей и	aw
неровностей	направлением действия внешней нагрузки.	
ВОЛНИСТОСТЬ	Высота волнистости, мкм	Wz
поверхности	Средний шаг волнистости, мм	Sz
Физико-химическое состояние поверхнос- тного слоя: структура	Размер зерен, мкм	l.
	Форма и распределение зерен	—
	Плотность дислокаций, см“2	p
	Концентрация вакансий, %	Cv 
	Размер (форма) блоков, нм	l6
	Угол разорнентировки блоков, "	“в
	Размер областей когерентного рассеяния, нм	<D>
фазовый состав	Число, концентрация и распределение фаз	—
	Тип кристаллической структуры фаз	MS
	Параметры решетки фаз, нм, °	a, b, c a, p у
химический состав	Профиль концентрации элементов в повер- хностном слое, %	C(x)
	Концентрация элементов в фазах, %	c*
78
		
| Характеристика по- 1 верхностного слоя	Наименование параметра	Обозначение
i деформация 1(наклеп) 1 остаточные Напряжения Экзоэлектрониая ЭМИССИЯ	Степень деформации, % Глубина наклепа, мкм Степень наклепа, % Градиент наклепа, HV/mm Микродеформация решетки, % Макронапряжения, МПа Микронапряжения, МПа Статические искажения решетки, МПа Интенсивность эмиссии, импульс/с Работа выхода электронов, эВ	£ h„ ин <£> ° ост fl ®ост Ш °ост I ф
Данная классификация, наряду с известными параметрами шеро-
ховатости и волнистости, деформационного упрочнения, остаточных
напряжений, содержит параметры химического состава и структурно-
фазового состояния, а также экзоэлектронной эмиссии. Такая класси-
фикация более полно отражает физико-химическое состояние повер-
хностного слоя, она может служить основой для разработки рекомен-
даций, отраслевых нормалей и стандартов для нормирования пара-
метров поверхностного слоя с учетом заданных условий эксплуатации
и технологического обеспечения.
4.6.	ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ И РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ
НА ПАРАМЕТРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
На параметры поверхностного слоя оказывают влияние
режимы резания, геометрия инструмента и его износ, СОЖ, жес-
ткость и вибрация технологической системы, физико-химические
свойства материалов детали и режущего инструмента. Эти факторы
определяют механотермическое и химическое воздействие на металл
в зоне обработки, а следовательно, неровности поверхности, структу-
ру, фазовый и химический состав поверхностного слоя детали..
Установлены следующие закономерности влияния отдельных
технологических факторов на параметры поверхностного слоя.
Шероховатость поверхности. Зависимость высоты неровностей
поверхности от скорости резания имеет экстремальный характер.
Максимальное значение шероховатости поверхности наблюдается в
79
интервале скоростей с интенсивным наростообразованием. Для кон-
струкционных сталей наибольшее ухудшение шероховатости имеет
место при скорости резания 20...30 м/мин.
С увеличением подачи высота неровностей поверхности возраста-
ет. Однако уменьшить подачу при точении ниже 0,03...0,05 мм/об
нецелесообразно, так как это будет сопровождаться снижением
производительности обработки и размерной стойкости инструмента.
Глубина резания при 0,5...2 мм на шероховатость влияет незначи-
тельно.
Применение СОЖ снижает шероховатость. С увеличением вязкос-
ти и пластичности обрабатываемого материала шероховатость возрас-
тает. По снижению влияния на шероховатость при обработке сталей
твердые сплавы располагаются в следующей последовательности:
ВК8, Т15К10, Т15К6, Т30К4.
Шероховатость поверхности при шлифовании снижается с увели-
чением окружной скорости вращения обрабатываемой заготовки, с
уменьшением продольной и поперечной подач, с применением выха-
живания и СОЖ. Большую роль играет также правильный выбор
характеристик абразивного круга — его зернистости, материала,
твердости и структуры связки, режима правки инструмента и ее
регулярность.
При электромеханической обработке шероховатость зависит от
плотности тока, состава электролита и величины межэлектродного
зазора.
Деформационное упрочнение (наклеп). Глубина наклепа после
обработки резанием металлическим и абразивным инструментом
возрастает с увеличением подачи, глубины резания, радиуса скругле-
ния и износа режущего лезвия (рис. 4.5, б, в, г). Глубина резания
при фрезеровании ие оказывает заметного влияния на наклеп повер-
хностного слоя. Увеличение скорости резания (рис. 4.5, а}, переднего
О 40 V,h/muh 0 0,5 1,5S,MM/(rf О 0,5 1,5 О 0,1 0,2 0,5 Ъ,мм
а)	5)	6)	г)
Рис. 4.5. Изменение глубины и степени наклепа в зависимости от параметров
резания при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮ
80
и заднего углов режущего инструмента, зачистных проходов круга,
применение СОЖ снижают глубину наклепа.
Степень наклепа поверхностного слоя при обработке резанием
близка к предельному значению. Для жаропрочных сплавов и сталей
\ин ~ 30...35 %. Степень наклепа мало зависит от изменения режимов
:И других условий обработки.
I Остаточные макронапряжения. Значение, знак и характер рас-
пределения остаточных макронапряжений в поверхностном' слое
детали, как и наклеп, зависят от методов и режимов обработки.
Значение и глубина их залегания возрастают с увеличением скорости
резания, подачи, радиуса скругления и износа режущего лезвия.
В процессе обработки резанием металлическим и абразивным
инструментом сталей и жаропрочных сплавов в поверхностном слое
возникают преимущественно растягивающие макронапряжения,
имеющие максимальное значение на поверхности или в непосред-
ственной близости от нее, на расстоянии до 50...100 мкм. Макронап-
ряжения и глубина их залегания в поверхностном слое при шлифова-
нии методом продольных подач больше, чем при шлифовании мето-
дом врезания, в 1,5—2 раза.
Макронапряжения растяжения после шлифования абразивной
лентой примерно в два раза меньше, чем при шлифовании абразив-
ным кругом.
Состав СОЖ, способы их подвода в зону резания оказывают
также влияние на величину и знак макронапряжений, возникающих
в поверхностных слоях деталей, обработанных резанием. Применение
СОЖ вносит соответствующие (пока еще не выясненные до конца)
изменения в физико-химические процессы, протекающие в зоне
контакта с обрабатываемой поверхностью, обусловливающие напря-
женное состояние поверхностных слоев.
Известно, что одни и те же среды, в зависимости от метода и
условий обработки, оказывают неодинаковое влияние на величину и
знак остаточных напряжений. Применение СОЖ может способство-
вать как увеличению, так и уменьшению остаточных напряжений по
сравнению с обработкой без СОЖ. Характер влияния СОЖ на техно-
логические макронапряжения в значительной мере зависит от коли-
чества теплоты, выделяемого в зоне резания, которое определяет
развитие процессов разупрочнения в поверхностном слое, а следова-
тельно, влияет и на его напряженное состояние.
81
Для жаропрочных и титановых сплавов влияние режимов резания
и геометрии инструмента на макронапряжения сводится к следующе-
му. Если обработка резанием осуществляется с температурой контак-
та ниже температуры протекания термопластических деформаций, то J
в поверхностном слое возникают сжимающие осевые напряжения, а/
касательные — растягивающие. С повышением температуры контакта;
независимо от того, чем оно обусловлено — скоростью резания или
подачей, сжимающие макронапряжения на поверхности уменьшают-/
ся. При температуре начала термопластических деформаций* он$
переходят в растягивающие напряжения и при дальнейшем повыше-
нии температуры макронапряжения возрастают.
Изнашивание режущего инструмента повышает величину макро-
напряжений и глубину их залегания в поверхностном слое. Измене-
ние переднего угла от +15 до —15° приводит к незначительному
снижению растягивающих напряжений.
Методами дробеударного упрочнения (дробеструйное, гидро- и
виброгалтовка) в поверхностном слое создаются сжимающие макро-
напряжения, величина и глубина их залегания зависят от режима
упрочняющей обработки.
Состояние и напряженность поверхностного слоя после обработки
электрохимическими методами зависят от физико-химических про-
цессов снятия припуска с обрабатываемой поверхности и условий,
определяющих их протекание. В процессе электрохимической обра-
ботки и электролитического полирования не происходит упрочнения
и изменения микроструктуры в поверхностном слое, если при этом
отсутствует технологическая наследственность, связанная с предшес-
твующей обработкой. В этом случае остаточные макронапряжения в
сталях и сплавах после электрохимической обработки не обнаружи-
ваются.
Значения параметров поверхностного слоя жаропрочных и титано-
вых сплавов (ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ, ХН70ВМТЮФ,
ХН55ВМТФКЮ, ЖС6К, ЖС6КП, ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9) после различ-
ных методов и режимов обработки приведены в табл. 4.2.
Термопластическая деформация произойдет, если выполняется условие: 0,5 (t2 —
— fj) аЕ > с0 2, где а — коэффициент линейного расширения; Е — модуль упругости;
?, и — температуры окружающей среды и нагрева соответственно. Для жаропрочных
сплавов температура начала термопластических деформаций 600...650 ®С.
82
Таблица 4.2
Параметры поверхностного слоя жаропрочных и титановых сплавов после
различных методов обработки
Метод обработки	Шерохо- ватость Ra, мкм	Деформационное упрочнение		Макронапряжения (мак- симальные значения). МПа	
		глубина, мкм	степень, %	касатель- ные- iOT	осевые ±ао
Точеиие:					
чистовое	3.0...5.0	100... 150	35...50	200-600	-400...200
окончательное Фрезерование:	1,0...2,5	80...100	30-40	250...400	-500...100
встречное чистовое	3.0...5.0	50...150	40-60	—	350...500
попутное чистовое Шлифование:	3,0-.5,0	30-80	25...50	—	250...400
круговое вреза- нием чистовое	0,8... 1.5	60-100	40-50	500...700	100-300
круговое вреза- нием окончатель- ное	0,5... 1.0	40...70	40... 50	300...400	-100-200
круговое с продо- льной подачей чистовое	0,8—2,0	70...90	35...40	500..700	200-300
круговое с продо- льной подачей окончательное	0,6...0,4	40-50	35-40	400.. 500	200-300
плоское черновое (после ЭХО)	3,0-5,0	50...65	40...50	-	400-550
плоское чистовое	0,8-1,25	50...60	35-40	—	400...500
плоское оконча- тельное	0,3...0,2	40...50	30:..35	-	350...400
плоское тонкое Полирование:	0,15—0,1	30-40	25-30	—	200- 300
фетровым кругом с наклеенным абра- зивным зерном (после точения, шлифования)	0,3—0,15	30...50	30-40	400...500	-200-400
виброконтактное Хпосле ЭХО)	0,3-0,15	10...20	5...10	—	-100... 300
83
Метод обработки	Шерохо- ватость Ra, мкм	Деформационное упрочнение-		Макронапряжения (мак- симальные значения), МПа	
		глубина, мкм	степень. %	касатель- ные ±ог	осевые *оо
виброконтактиое после полирования фетровым кругом и ЭХО	0.2...0.3	10-15	5.. .10	—	—250...300
виброконтактиое (после полирова- ния фетровым кру- гом, шлифования лентой и ЭХО)	0,2...0,3	20...35	8—15		-250...350
Электрополирование (после ЭХО) Q = = 30	0,3...0,15	—	—	—	—
Электрохимическая обработка:					
q •“ 10...15 А/см2	0,6...0,25	—	—	—	—
q = 20...25 А/см2	0,5...0,2	—	—	—	
« - 30...35 Л/см2	0,3...0,2			—	—
Электроэрозионная обработка с последую- щей термообработкой	10...6	50...70	10-20	—	-200... 300
Гидрогалтовка (после ЭХО)	0,4...0,65	20-80	20...60	-	-400...500
Виброгалтовка (после ЭХО)	0,07—0,2	50...100	15—255	-	—300...500
Деформационное упрочнение шариками	0,2...0,6	50...80	10-400	—	-700-1000
АЛ. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО слоя
НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ
Прочность при статическом и циклическом нагружении.
Поверхностный слой оказывает влияние на следующие эксплуатаци-
онные свойства деталей: прочность (статическую, циклическую,
ударную), трение и износ, сопротивление коррозии, эрозии, кавита-
ции, герметичность соединений, точность и надежность неподвижных
посадок. Шероховатость и волнистость поверхности, структура,
фазовый и химический составы поверхностного слоя по-разному
влияют на эксплуатационные свойства деталей.
84
Шероховатость поверхности — технологический концентратор
напряжений — снижает прочностные характеристики металла незави-
симо от вида напряженного состояния и температуры нагрева. Влия-
ние шероховатости поверхности на сопротивление усталости обычно
оценивается различными коэффициентами концентрации напряже-
ний, связанных с геометрическими параметрами микронеровностей
поверхности. Например, коэффициент концентрации (по Г. Нейберу)
при растяжении и изгибе «о “ 1 + 2 J у — , где у — коэффициент
разгрузки, зависящий от отношения шага неровностей S к их высоте
Rz, г — радиус кривизны на дне впадины. Для микрорельефа повер-
хности после механической обработки обычно у = 1, Rzfr— 0,3—0,5,
что соответствует теоретическому коэффициенту концентрации «о =
= 1.5...2,5.
Коэффициент концентрации напряжений шлифованной повер-
хности с шероховатостью Ra = 0,32; 0,63; 1,25 (ГОСТ 2789—73)
равен соответственно 1,2; 1,24 и 1,48.
Эксплуатационные свойства деталей зависят не только от высоты
микронеровностей, но и от радиусов закругления дна впадин и
выступов, угла наклона профиля и шага неровностей.
Сопротивление усталости конструкционных материалов с направ-
лением микронеровностей, перпендикулярным к оси детали (образ-
ца), снижается примерно в 1,5 раза больше, чем при направлении
микронеровностей вдоль оси образца, для одинаковых значений
параметров шероховатости. С уменьшением шероховатости повер-
хности направление микронеровностей меньше влияет на усталос-
тную прочность.
Снижение сопротивления усталости обычных конструкционных
сталей (частота нагружения до 100 Гц, температура 20 °C) при
изменении шероховатости поверхности Ra с 2,5 до 0,16 мкм, обуслов-
ленной механической обработкой, составляет примерно от 25 до
Ю %•
Деформационное упрочнение. Влияние деформационных измене-
ний в поверхностном слое на его прочностные свойства зависит от
степени деформаций поверхностного слоя и условий эксплуатации:
температуры нагрева, нагрузки, среды и продолжительности их
воздействия.
Экспериментально установлено, что для каждого металла или
сплава и заданных условий эксплуатации существует своя определен-
ная степень предварительной деформации, которая обеспечивает
наибольшую прочность при данной температуре и схеме нагружения
(рис. 4.6).
85
Рис. 4.6. Изменение сопротивления усталости
жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ в зависимос-
ти от предварительной пластической деформации
растяжением и температуры нагрева при частоте
нагружения 1000 Гц и базе испытания 100 млн
циклов:
J - 600 °C; 2 - 700 ’С; 3 - 800 °C; 4 - 900 “С
Рассматривая влияние предварительной пластической деформации
на усталостную прочность, необходимо учитывать, что с увеличением
остаточной деформации запас пластичности металла снижается, а это
сказывается на циклической долговечности, повышает чувствитель-
ность к перегрузкам, снижая реальный запас прочности металла.
Наиболее деформированные в процессе резания поверхностные
слои металла имеют высокую плотность дислокаций, почти исчерпан-
ный запас прочности, большую скрытую энергию наклепа, весьма
низкую несущую способность.
Напряжения от внешней нагрузки (статическое или циклическое)
при рабочих температурах активизируют процессы снятия деформа-
ционного упрочнения поверхностных слоев.
Для деталей из жаропрочных сталей и сплавов, работающих при
высоких температурах, оптимальным из условий усталостной и
длительной прочности будет поверхностный слой с весьма незначи-
тельным деформационным упрочнением, соответствующим остаточ-
ной деформации б = 1...4 %, степени и глубине наклепа ин = 3...
10 %, Лн = 10...20 мкм, или слой без наклепа.
С увеличением глубины и степени наклепа и базы испытания
влияние поверхностного наклепа на усталостную прочность возраста-
ет (рис. 4.7).
Остаточные напряжения. Остаточные макронапряжения по своей
физической природе независимо от причины их возникновения ничем
не отличаются от напряжений, вызванных внешними нагрузками, н
оказывают на металл такое же воздействие, как и напряжения,
вызванные рабочими нагрузками. Поэтому при оценка роли и значи-
мости влияния остаточных напряжений на сопротивление металла
упругой и пластической деформациям и разрушению следует учиты-
вать конкретные условия эксплуатации детали. Так, например, на
усталостную прочность деталей из жаропрочных сплавов, работаю-
щих в условиях высоких температур, близких к температуре возвра-
та или рекристаллизации, остаточные напряжения мало влияют.
86
Рис. 4.7. Изменение сопротивления усталости
жаропрочных сплавов в зависимости от глубины
наклепа после фрезерования (□), шлифования
(v) и обкатки роликом (о):
О, v, о — сплав ХН70ВМТЮ; Ю, v, о — сплав
ХН70ВМТЮФ; □, v, о - сплав ХН55ВМТФКЮ.
Условия испытаний: температура нагрева 800 °C
(сплавы ХН70ВМТЮ и ХН70ВМТЮФ) и 900 °C
(сплав ХН55ВМТФКЮ) частота нагружения
5 кГц
Усталостная прочность конструкционных сталей и сплавов, работаю-
щих при нормальной и повышенной температурах, в зависимости от
суперпозиции (характера взаимодействия) остаточных напряжений
и напряжений от внешней нагрузки может повышаться или снижать-
ся. В свою очередь характер суперпозиции определяется условиями
деформации металла.
Если результирующее напряжение от совместного действия оста-
точных и рабочих напряжений находится в пределах упругости, то
остаточные напряжения, налагаясь алгебраически на рабочие, будут
снижать запас прочности материала в упругой области. Если же
результирующее напряжение соответствует пластическому состоянию
материала, то остаточные напряжения в условиях пластического
течения изменяются количественно — происходит их перераспределе-
ние. Когда макропластическое течение материала по условиям экс-
плуатации является допустимым и материал детали располагает
запасом пластичности, остаточные напряжения мало или вообще не
влияют на прочность и долговечность детали, так как незначительная
местная пластическая деформация от действия нагрузки снижает или
совсем снимает остаточные напряжения: Если пластические деформа-
ции детали ограничены’ (наличие у детали галтелей, надрезов, дей-
ствие трения, низких температур и др.), то в этих условиях наложе-
ние остаточных и рабочих напряжений будет снижать реальный запас
прочности материала в условиях эксплуатации, способствуя возни-
кновению и развитию усталостной трещины.
Следовательно, уменьшение остаточных напряжений в детали
оказывает такой же эффект, как и уменьшение любых других напря-
жений. Необходимо также избегать появления в детали остаточных
напряжений того же знака, что и знак напряжений, возникающих от
полезной нагрузки, особенно в зонах концентрации напряжений.
Снятие, ослабление или перераспределение остаточных напряже-
ний путем термической обработки и оптимизации режимов оконча-
87
тельной механической и электрохимической обработки будет способ-
ствовать увеличению несущей способности материала детали.
При температурах 950...975 °C макронапряжения в жаропрочных
сплавах ХН70ВМЮТ, ХН70ВМТЮФ, ХН55ВМТФКЮ в течение 2 ч
практически полностью снимаются.
Снижение сопротивления усталости жаропрочных сплавов от
совместного влияния параметров поверхностного слоя на базе
100 млн циклов относительно сопротивления усталости этих сплавов
с шероховатостью поверхности Ra ~ 0,01 мкм (ГОСТ 2789—73) в
среднем составляет: при шлифовании с параллельным направлением
неровностей на поверхности с Ra = 5...0,8 мкм — от 10 до 30 %, а
при шлифовании перпендикулярно к оси образца — соответственно
с 17 до 40 %. Влияние параметров поверхностного слоя на сопротив-
ление усталости на базе 10 млн циклов несколько слабее: снижение
сопротивления усталости при шлифовании вдоль образца в том же
интервале шероховатости составляет соответственно 7...20 %, а при
шлифовании поперек образца — 10...25 %.
Усиление комплексного влияния параметров поверхностного слоя
на усталостную прочность сплавов при рабочих температурах с
увеличением базы испытания обусловливается в основном путем
повышения интенсивности диффузионных процессов и развития
структурных превращений в деформированном поверхностном слое,
следствием которых является разупрочнение поверхностного слоя и
наблюдаемое снижение сопротивления усталости.
Относительная значимость каждого из параметров поверхностного
слоя в снижении сопротивления усталости жаропрочных сплавов
после шлифования оценивается следующим образом: шероховатость
поверхности до 50 %, физико-химическое состояние поверхностного
слоя до 40...45 % и технологические остаточные макронапряжения
до 5... 10 %; причем это соотношение практически сохраняется посто-
янным в интервале оптимальных режимов шлифования, обеспечива-
ющих шероховатость поверхности с Ra = 5...0,08 мкм и соответствую-
щее физико-химическое состояние поверхностного слоя после шлифо-
вания.
Трение и износ. Многие детали машин работают в условиях
трения, возникающего при относительном перемещении контактиру-
ющих поверхностей. При этом они подвергаются изнашиванию. Под
изнашиванием понимают процесс разрушения и отделения материала
с поверхности детали и (или) накопление его остаточной деформации
при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и
(или) формы тела. Количественный характеристикой изнашивания
является износ, оцениваемый, например, по убыли массы детали за
время ее работы.
88
Основные трибологические1 характеристики (интенсивность изна-
шивания J и коэффициент трения к^ зависят от физико-химическо-
го состояния контактирующих материалов и условий нх работы:
величины нагрузки Р, скорости перемещения vn, рабочей температу-
ры Рр, свойств рабочей среды Сх. Для всех материалов существует
диапазон величии Р, vn, Тр, Сх, в котором значения Лгр и J намного
ниже, чем вне этого диапазона. Повышение износостойкости трущих-
ся поверхностей — результат структурной приспособляемости матери-
алов, заключающейся в перестройке структуры поверхностного слоя
в энергетически выгодную для данных условий нагружения структу-
ру. При этом взаимодействие трущихся тел и рабочей среды локали-
зуется в тонком слое, характеризующемся особым структурно-фазо-
вым состоянием (слой ’’вторичных” структур). Этот слой защищает
основной материал от разрушения. Внешние механические воздей-
ствия неизбежно разрушают слой вторичных структур, но параллель-
но идет процесс его образования. Таким образом, наблюдается дина-
мическое равновесие процессов разрушения и образования вторичных
структур.
Нормальное механохимическое изнашивание включает комплекс
явлений, связанных с деформацией, текстурированием тончайших
поверхностей слоев металла, их взаимодействием с химически актив-
ными компонентами рабочей среды. Наиболее распространенной
разновидностью нормального изнашивания является окислительное,
при котором на поверхности трения образуется защитная оксидная
пленка. Коэффициент Лтр при нормальном окислительном изнашива-
нии имеет значение порядка	разрушение локализуется
в’ тонком слое толщиной 10~3...10~2 мм. Этот вид изнашивания
наблюдается при невысоких рабочих температурах. При нормальном
изнашивании в сечении детали можно выделить три зоны, отличаю-
щиеся по своему структурно-фазовому состоянию: зону с измененным
фазовым составом, характеризующуюся мелкодисперсной структурой
и текстурой (зона вторичных структур); подповерхностную зону с
повышенной плотностью дислокаций и, наконец, металл в объеме.
Для нормального изнашивания характерны однородность деформиро-
ванного состояния по поверхности детали, равномерность распределе-
ния дефектов решетки. Все это происходит в условиях стимулирую-
щего действия адсорбции н диффузии активных компонентов среды
в металл, причем скорость диффузии, а также химических реакций
^Трибология — наука, занимающаяся изучением трения и износа деталей и узлов
машин и механизмов.
89
в поверхностном слое увеличивается на несколько порядков по
сравнению со скоростью в объеме металла.
По классификации, предложенной Б.И. Костецким, нормальное
механохимическое изнашивание является допустимым видом разру-
шения при трении. К этому же виду относится окислительная форма
абразивного изнашивания (условно нормального), происходящего без
снятия микростружки и повреждения царапанием. Коэффициент
трения при таком изнашивании имеет величину того же порядка, что
и при нормальном окислительном изнашивании, но толщина разру-
шающего слоя на порядок выше.
К недопустимым видам разрушения при трении относятся схва-
тывание I и II рода, фреттинг-процесс, механическая форма абра-
зивного изнашивания, контактная усталость (явления повреждае-
мости при трении). Эти явления наблюдаются при значениях пара-
метров Р, vrp Г , Сх выше критических. Коэффициент трения и
глубина разрушающегося слоя при этом возрастают на 1...2 порядка
по сравнению со значениями, характерными для нормального изна-
шивания. Резко уменьшается (на несколько порядков) удельная
работа поверхностного разрушения, равная отношению работы тре-
ния к удаленной в результате изнашивания массе детали.
Разрушение схватыванием заключается в сцеплении трущихся
материалов на отдельных участках с последующим вырыванием
частиц из поверхностного слоя одной детали и налипанием или
наволакиванием их на поверхность другой детали. Это обычно приво-
дит к появлению на поверхностях трения рисок и задиров. Схватыва-
ние происходит на участках физического контакта свежих ювениль-
ных поверхностей. Причем схватывание I рода возникает при малых
скоростях vn и высоких нагрузках Р, приводящих к большой пласти-
ческой деформации; схватывание II рода происходит при высоких
скоростях vn и нагрузках Р, что ведет к возникновению недопустимо
больших температур. Поэтому факторы, затрудняющие непосред-
ственное соприкосновение поверхностей трущихся деталей, пласти-
ческое деформирование поверхностного слоя, его нагрев противодей-
ствуют схватыванию.
Нормальное изнашивание протекает в три этапа. В начальный
период происходит приработка, т.е. процесс изменения геометрии
поверхностей трения и физико-химического состояния поверхностно-
го слоя трущихся материалов. В этот период (при неизменном режи-
ме трения) снижаются скорость изнашивания и коэффициент трения.
Происходят коренные изменения характеристик микрорельефа повер-
хности и структурно-фазового состояния Поверхностного слоя (идет
процесс структурного приспособления). После окончания приработки
возникает ’’равновесная” шероховатость поверхности. Она не зависит
90
от значения и характера шероховатости поверхности в исходном
состоянии.
После приработки наступает период установившегося изнашива-
ния, отличающийся постоянством интенсивности. Этот период харак-
теризуется равновесием процессов возникновения й разрушения
вторичных структур, теплообразования и теплоотвода. После истече-
ния определенного периода времени интенсивность изнашивания
начинает увеличиваться, наступает этап усиленного изнашивания.
Это вызвано заметными изменениями в условиях работы узла трения
вследствие изменения зазоров в сопряжениях, геометрической формы
деталей и пр. При неблагоприятных условиях приработки этап
установившегося изнашивания может и не наблюдаться.
Влияние состояния поверхностного слоя на износостойкость.
Шероховатость поверхности детали (высота, форма и направление
микронеровностей) оказывает влияние на износостойкость только в
период приработки. От шероховатости зависит также длительность
этого периода. Экспериментально установлено, что для каждой
конкретной детали существует оптимальная шероховатость, при
которой коэффициент А(р и износ оказываются минимальными.
Оптимальной следует считать шероховатость, близкую к ’’равновес-
ной”. При этом снижается износ, сокращается продолжительность
приработки, предотвращается развитие явлений повреждаемости (в
частности, схватывания).
Для снижения износа на поверхность детали наносят регулярный
микрорельеф, представляющий собой систему регулярно расположен-
ных канавок. При трении со смазкой эти канавки играют роль ’’мас-
ляных карманов”, по мере изнашивания смазка из них поступает в
пространство между трущимися поверхностями. Кроме того, в канав-
ки собираются продукты износа, что снижает интенсивность абразив-
ного изнашивания.
Для повышения износостойкости деталей широко используют
поверхностно-пластическое деформирование (ППД), повышающее
сопротивление пластическому деформированию, твердость, увеличи-
вающее равномерность распределения дефектов решетки по повер-
хности детали. Предварительный наклёп активирует поверхностный
слой, что приводит к росту скоростей диффузии и химических реак-
ций. Если деталь работает в условиях нормального изнашивания, то
это положительно сказывается на ее износостойкости, поскольку
уменьшается время образования защитных ’’вторичных” структур и
соответственно продолжительность приработки. Зависимость износос-
тойкости от глубины и степени наклепа поверхностного слоя немоно-
тонная: максимальное снижение износа достигается после обработки
с определенными (оптимальными) по значению hc и ин.
91
Можно предположить, что оптимальной для деталей является
текстура, аналогичная той, которая формируется в процессе трения.
Наличие оптимальной текстуры создает благоприятные условия для
приработки, предотвращает развитие явлений повреждаемости.
Фазовый и химический составы поверхностного слоя оказывают
существенное влияние на триботехнические характеристики матери-
алов. Например, обработка лучом лазера поверхностного слоя сталей
40Х, ШХ15, У10, Р6М5, ХВГ позволяет резко повысить их износос-
тойкость. Это обусловлено прежде всего образованием в поверхнос-
тном слое облученных сталей высокодисперсного мартенсита, облада-
ющего высоким сопротивлением пластической деформации и большой
твердостью.
Разнообразные изменения в фазовом составе поверхностного слоя
происходят при поверхностном легировании материалов. Широко
используемая для повышения износостойкое™ химико-термическая
обработка направлена на получение в поверхностном слое металлов
благоприятного структурно-фазового состояния. Например, при
азотировании сталей в поверхностном слое образуются нитриды и
карбонитриды железа, а также нитриды других элементов, содержа-
щихся в сталях. Еще большую твердость (до 2000//V) приобретает
сталь после борирования, при этом обычно образуются бориды типа
FeB и Fe2B. Цементация малоуглеродистых сталей позволяет полу-
чить в поверхностном слое после закалки высокоуглеродистый мар-
тенсит, в то время как сердцевина остается мягкой и вязкой. Для
повышения износостойкости на поверхность деталей наносят различ-
ные покрытия гальваническими, газотермическими методами, осаж-
дением в вакууме и др. (см. гл.5). При выборе материала покрытия
необходимо помнить, что металлы с ГП-решеткой обычно имеют
намного более высокую износостойкость, чем металлы с кубическими
решетками.
Остаточные макронапряжения в поверхностном слое мало влияют
на его износ. Это обусловлено, что при трении в поверхностном слое
протекает интенсивное пластическое деформирование, что способ-
ствует быстрой релаксации макронапряжений.
Коррозионная стойкость. Коррозия металлов и сплавов представ-
ляет собой процесс их самопроизвольного разрушения в результате
взаимодействия с окружающей средой. Безвозвратные потери металла
вследствие коррозии составляют около 15 % всего объема выпускае-
мого металла, поэтому исследованию процесса коррозии и повыше-
нию коррозионной стойкости металлов уделяется большое внимание.
Различают два основных вида коррозии — химическую и электро-
химическую. Электрохимическая коррозия протекает в результате
взаимодействия металла с электролитами — растворами или распла-
92
вами солей и щелочей, растворами кислот, а также влажной атмос-
ферой. При этом процесс разрушения металла сопровождается проте-
канием электрического тока между анодными и катодными участка-
ми поверхности. Образование таких резко отличающихся по свой-
ствам участков на поверхности металла обусловлено неоднородностью
физико-химического состояния поверхностного слоя материала,
концентрационной неоднородностью коррозионной среды, неоднород-
ностью физических условий на границе металл — среда, которая
связана с неравномерностью температуры среды, скоростью ее движе-
ния и пр.
Анодный (окислительный) процесс связан с переходом ионов
металла в электролит:
Мс-Мс'+с".	(4-5)
Остающиеся в металле ’’избыточные” электроны участвуют в
катодном (восстановительном) процессе. Сущность катодного процес-
са состоит в ассимиляции этих электронов деполяризаторами, в роли
которых выступают ионы или молекулы электролита, например:
О2 + 4е" + 2Н2О - 4ОН ".	<4-6>
Такой процесс протекает в нейтральных и щелочных средах в
Присутствии кислорода. Ионы Ме— могут в дальнейшем взаимодей-
ствовать с ОН- и О2, в результате чего образуется гидратированный
окисел металла.
О скорости электрохимической коррозии можно судить по величи-
не силы тока /, протекающего между анодом и катодом.
Все методы защиты металла от электрохимической коррозии
предусматривают снижение силы тока коррозии, например, в резуль-
тате ’’перевода” металла в пассивное состояние. Этого можно добить-
ся изменением физико-химического состояния металла. Примером
служит легирование железа хромом и никелем, что способствует
образованию при коррозии пассивирующей окисной пленки на повер-
хности сплава.
Химическая коррозия протекает в газовых средах при отсутствии
влаги (газовая коррозия), а также в жидкостях, не являющихся
электролитами. Металл при этом разрушается вследствие чисто
химических реакций. Наибольшее практическое значение имеет
химическая коррозия при повышенных температурах в газовых
средах, содержащих кислород. Коррозионную стойкость при высоко-
температурной газовой коррозии называют жаростойкостью. В
результате коррозии металл переходит в окисленное состояние: -
лМе + з>02 - МехО2,.	(4.7)
93
Реакция (4.7) протекает при AG < 0, где AG — изменение свобод-
ной энергии Гиббса системы при переходе в окисленное состояние.
Наиболее активно взаимодействуют с кислородом Al, Сг, Ti, Si, Y,
Hf, редкоземельные металлы. Благородные металлы не подвергаются
коррозии в кислороде (AG > 0). Отметим, что при 20 °C практически
все металлы могут подвергаться окислению в воздушной атмосфере.
Однако условие AG > 0 не дает сведений о скорости коррозии, опреде-
ляемой скоростью роста оксидных пленок. Различают сплошные и
пористые оксидные пленки: Первые образуются при условии
1 < <vOK/v„e> < 2,5,	(4.8)
где v0K и vMe — объемы оксида и металла, израсходованного на обра-
зование оксида.
В ряде случаев возникающие при образовании оксида механичес-
кие напряжения приведут к растрескиванию и отслаиванию оксидной
пленки. К высоким внутренним напряжениям в решётке оксида ведут
также особенности диффузии через нее катионов и анионов, геомет-
рия детали, несоответствие коэффициентов линейного расширения
металла и оксида и другие причины.
При росте пористых оксидных пленок кислород свободно поступа-
ет к поверхности металла по трещинам и сколам в пленке. Толщина
пленки при этом изменяется со временем т по линейному закону h =
— где к^ — константа.
Лимитирующей стадией роста сплошных пленок является переме-
щение по объему оксида в зону реагирования ионов металла и кисло-
рода, а также электронов сквозь оксидную пленку. Образование
сплошных пленок ведет к замедлению процесса окисления, они
обладают защитными свойствами.
В общем случае рост описывается уравнением
gn=knz,	(4-9)
где g — масса оксида; к — коэффициент. Чем значение параметра п
ближе к 1, тем в большей мере рост пленки лимитируется скоростью
реакции (4.7); при п = 2 рост пленки лимитируется диффузией в
оксиде. Если п > 2, то это свидетельствует о действии каких-либо
факторов, замедляющих диффузию и тормозящих рост оксида.
Окисление многокомпонентного сплава в значительной степени
зависит от его химического состава. Если концентрация легирующих
компонентов невелика, то на сплаве обычно образуется оксид метал-
ла-основы, в котором могут растворяться атомы легирующих компо-
94
нентов. При этом скорость окисления меняется вследствие изменения
концентрации точечных дефектов в решетке оксида металла-основы
при растворении в нем других элементов. Это происходит, например,
если валентности основного и примесного элементов различны.
При более высокой концентрации легирующих элементов на
сплавах могут образовываться отдельные слои окислов различных
компонентов сплава, слой смеси оксидов или слой сложных много-
компонентных окислов, например шпинели типа Me7 Ме^7 О4.
Изменение скорости окисления сплава по сравнению с чистым метал-
лом в этом случае обусловлено образованием новых окислов, имею-
щих иную проницаемость для ионов металла и кислорода.
Если скорость диффузии кислорода в сплаве на основе более
благородного Me' выше скорости диффузии менее благородного
Me" , то наблюдается явление внутреннего окисления. При этом под
оксидной пленкой Ме*Оу (окалиной) образуется слой металла,
обогащенный более благородным компонентом и содержащий частицы
оксида менее благородного элемента. Этот слой называют подокали-
ной. Внутреннее окисление наблюдается только ниже некоторой
критической для менее благородного элемента молярной доли в
сплаве (обычно около 10 %).
Общая и местная коррозии различаются по характеру коррозион-
ного воздействия. При общей коррозии разрушение металла и образо-
вание оксидной пленки происходят более или менее равномерно по
всей поверхности металла. При местной коррозии разрушение носит
локальный характер. Явление местной коррозии часто наблюдается
при электрохимической коррозии. При этом различают точечную
коррозию, межкристаллитную (по границам зерен), контактную (в
местах контактов различных металлов), щелевую (в зазорах и щелях
детали). В ряде случаев коррозия носит структурно-избирательный
характер, при этом происходит интенсивная коррозия наименее
коррозионно-стойких фаз в сплаве. Например, наблюдали интенсив-
ную избирательную коррозию волокон 6 = фазы (Ni3 Nb) в окислен-
ном на воздухе эвтектическом жаропрочном никелевом сплаве со
структурой у/у1—б. Хотя потери металла от общей коррозии преобла-
дают, местная коррозия является более опасной, поскольку сильно
влияет на прочностные свойства деталей.
Методы исследования коррозионной стойкости. Простейшим
способом оценки коррозионной стойкости является определение
изменения массы образца после испытания. Например, согласно
ГОСТ 6130—71 жаростойкость материалов характеризуется удельным
(на единицу площади поверхности) приростом массы образцов после
95
окисления q или удельным уменьшением массы после удаления
продуктов коррозии.
Неравномерное коррозионное разрушение оценивают по глубине
проникновения коррозии Лкор. Величину измеряют одним из
микроскопических методов.
Основным методом исследования электрохимической коррозии
является построение поляризационных кривых металла, что позволя-
ет предсказать его поведение в различных условиях. Однако в ряде
случаев измеряют убыль или глубину коррозии.
Поскольку коррозия материала ведет к изменению физико-хими-
ческого состояния его поверхностного слоя, то для исследования
процесса коррозии и коррозионной стойкости можно применять
методы изучения химического состава и структурно-фазового состо-
яния (см. подразд.4.3). Коррозионная стойкость, очевидно, тем выше,
чем меньше изменения в физико-химическом состоянии поверхнос-
тного слоя, обусловленные коррозией.
Влияние химического состава поверхностного слоя. Химический
состав поверхностного слоя материала оказывает влияние на коррози-
онную стойкость. Для повышения коррозионной стойкости материа-
лов проводят их поверхностное легирование, наносят различные
покрытия (см. гл.5). Причем объемное легирование часто оказывается
экономически нецелесообразным, особенно при использовании' в
качестве легирующих компонентов таких дорогостоящих элементов,
как Y, Nf, Pt, редкоземельных металлов и др. Введение таких эле-
ментов в количестве всего лишь 0,1—1 % может существенно повы-
сить сопротивление химической и электрохимической коррозии.
Следует однако помнить, что при увеличении продолжительности
коррозионного воздействия защитные свойства легированного повер-
хностного слоя постепенно исчерпываются в результате его коррози-
онного разрушения, диффузии легирующих компонентов в объем
И Т.Д.
Влияние структурно-фазового состояния поверхностного слоя.
Наклеп поверхностного слоя материала ведет к росту его свободной
Энергии и, следовательно, склонность к коррозии повышается. Кроме
того, наклеп приводит к увеличению числа дефектов решетки и
соответственно росту диффузионной подвижности атомов в металле.
Поэтому обычно наклеп интенсифицирует процесс коррозии. Зависи-
мости толщины поверхностного слоя измененного химического соста-
ва шлифованных и электрополированных образцов, выполненных из
сплава ХН56ВМКЮ, при окислении на воздухе подтверждают, что
интенсивность окисления наклепанных образцов значительно выше
(рис. 4.8).
96
Рис. 4,8. Изменение толщины поверхностного
слоя образцов из сплава ХН56ВМКЮ после
электрополирования (/, 2) и шлифования (Г,
2') в зависимости от температуры и продо-
лжительности окисления:
/, Г — 900 °C; 2, 2' — 1050 °C
О 100	200 т, ч
Пластическое деформирование металла ведет не только к его
наклепу, но и изменяет шероховатость поверхности, уровень макро-
напряжений, а в ряде случаев приводит к структурным и фазовым
превращениям. Наличие разных фаз в сплаве, имеющих различные
электрохимические характеристики и жаростойкость, повышает
неоднородность состояния поверхностного слоя, что способствует
развитию местной коррозии.
Наиболее ярко влияние фазового состава на коррозионную стой-
кость материала проявляется при превращении структуры металла
из кристаллической в аморфную (и обратно). Аморфные металлы
получают охлаждением расплавов с очень большой Скоростью (уохл £
> 106 К/с). Для аморфизации поверхностного слоя используют
ионно-лучевую обработку, а также обработку электронным и лазер-
ным лучами. Многие аморфные сплавы на основе железа, титана,
кобальта обладают коррозионной стойкостью. Аморфные сплавы
имеют ток пассивации на один или несколько порядков ниже по
величине, чем сплавы того же химического состава, но с кристалли-
ческой структурой. Точечная коррозия аморфных сплавов наблюдает-
ся при значительно более высоких потенциалах. Предполагается, что
причиной их высокой коррозионной стойкости является формирова-
ние пассивирующих пленок с аморфной структурой. Эти пленки
обладают малой проницаемостью для частиц, быстро восстанавлива-
ются при разрушении (явление репассивации), являются более
пластичными.
Шероховатость поверхности также влияет на коррозионную стой-
кость. Обычно рост шероховатости ведет к усилению коррозии.
Повышение шероховатости приводит к увеличению реальной площа-
ди корродирующей поверхности. Растет электрохимическая неодно-
родность поверхностного слоя. При газовой коррозии во впадинах
собираются агрессивные примеси среды (например, сульфиды и
хлориды металлов на поверхности лопаток ГТД), интенсифицирую-
щие коррозию. Защитные окисные пленки на поверхности с грубым
рельефом в большей степени склонны к растрескиванию.
4 Зак. 1398
97
Точность деталей и надежность неподвижных сопряжений.
Точность, наряду с прочностью и износостойкостью, является важ-
нейшим показателем эксплуатационной надежности деталей. Следует
различать статическую точность, получаемую в результате обработки
и сборки, и динамическую точность, возникающую при работе детали
и зависящую от эксплуатационных факторов (скорости, динамичес-
ких нагрузок, температуры нагрева и др.).
Исходная точность детали зависит от методов и режимов обработ-
ки и определяется точностью размеров, формы и взаимного располо-
жения поверхностей. При сборке изделия исходная точность детали,
полученная после обработки, может изменяться в зависимости от
вида сопряжений, монтажных зазоров, натягов и методов сборки.
Точность детали после обработки и в процессе сборки можно сравни-
тельно легко определить с помощью современных измерительных
приборов и устройств, а контроль и прогнозирование динамической
точности детали весьма затруднены. Только после некоторого срока
эксплуатации при разборке изделия можно определить характер
влияния параметров поверхностного слоя на точность детали.
Из всех параметров поверхностного слоя наибольшее влияние на
точность детали в эксплуатации оказывают остаточные макронапря-
жения. Потеря исходной точности детали в период эксплуатации
обусловлена их деформацией, вызванной релаксацией остаточных
напряжений под воздействием температуры, нагрузки и времени.
Влияние деформации на точность геометрической формы деталей в
процессе их эксплуатации особенно существенно для тонкостенных
деталей типа лопаток турбины. При длительной-эксплуатации дета-
лей, а также под воздействием высоких рабочих температур происхо-
дит релаксация макронапряжений в поверхностном слое, протекаю-
щая тем полнее, чем выше температура нагрева и больше продолжи-
тельность воздействия теплоты.- При этом скорость релаксации оста-
точных макронапряжений разного знака неодинакова. Остаточные
макронапряжения в поверхностном слое тонкостенных деталей
обычно имеют неравномерное распределение (переходят от сжимаю-
щих к растягивающим напряжениям и наоборот), их релаксация
происходит с различной скоростью, вследствие чего неизбежна дефор-
мация детали, снижающая ее точность. Направление и величина
деформации зависят от величины и характера распределения остаточ-
ных макронапряжений поверхностного слоя, а также от жесткости
детали. Значение деформации деталей может быть определено рас-
четным путем.
Надежность неподвижных разъемных сопряжений деталей в
эксплуатации, главным образом, зависит от шероховатости повер-
хности, конструкции деталей и условий эксплуатации. При большой
98
шероховатости поверхности в результате смятия гребешков наруша-
ется вид посадки. При малой шероховатости {Ra <, 0,16 мкм) не
обеспечивается необходимое сцепление сопряженных поверхностей,
поэтому для каждого вида посадки существует своя оптимальная
шероховатость поверхности, обеспечивающая высокую надежность
сопряжений в эксплуатации.
4.8.	ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ
С УЧЕТОМ ЗАДАННЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
В настоящее время в машиностроении существуют реаль-
ные возможности технологического обеспечения оптимальных экс-
плуатационных свойств изготавливаемой детали или узла. Для этого
конструктору необходимо определить материал и задать в чертеже
соответствующие параметры поверхностного слоя, а технологу вы-
брать соответствующие методы и режимы обработки данной повер-
хности.
Конструктор, зная заданный ресурс работы детали и условия ее
эксплуатаций, определяет основные эксплуатационные свойства для
наиболее нагруженных поверхностей детали, определяющие ее
работоспособность. Затем, анализируя взаимосвязь между эксплуата-
ционными свойствами детали и параметрами поверхностного слоя, с
учетом заданной долговечности их работы конструктор назначает
соответствующие параметры поверхностного слоя на те или иные
поверхности детали.
Далее технолог, анализируя физико-химические факторы техно-
логического процесса изготовления детали (деформации, температу-
ра, среда, структура, фазовые переходы, проистекающие в поверхнос-
тном слое детали) и зависимости параметров поверхностного слоя от
параметров режимов различных методов обработки, назначает опти-
мальные методы и режимы обработки для рассматриваемой повер-
хности детали.
Стандартизация параметров физико-химического состояния повер-
хностного слоя существенно облегчит и ускорит внедрение в практи-
ку машиностроения принципа ” свойство—технология”.
Основные направления технологического обеспечения заданных
параметров поверхностного слоя детали рассмотрены в гл.5.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Что такое поверхностный слой и какова его взаимосвязь с физико-химическими
и эксплуатационными свойствами детали?
2.	Назовите основные параметры для оценки неровностей поверхности и физико-
химического состояния поверхностного слоя.
I*
99
3.	Назовите методы и средства измерения параметров шероховатости, волнистости
и физико-химического состояния поверхностного слоя,
4.	Как влияют методы и режимы обработки на параметры поверхностного слоя?
5.	Как влияет поверхностный слой на прочность, износостойкость и коррозионную
стойкость деталей?
ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И
ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОТЫ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Повышение долговечности и надежности работы деталей, узлов и
машины в целом *— одна из важных народнохозяйственных проблем.
Работоспособность узла или машины определяется прежде всего
работоспособноствю деталей. Повысить ресурс и надежность работы
детали можно металлургическими, конструкторскими, технологичес-
кими'и эксплуатационными мероприятиями. Опыт доводки и эксплу-
атации машин показывает, что наиболее эффективным из них явля-
ется технологическое направление: обеспечение заданной точности
и оптимальных параметров поверхностного слоя детали.
Технологические методы обеспечения оптимальных параметров
поверхностного слоя с учетом заданных условий эксплуатации детали
можно разделить на следующие четыре основные группы: методы
деформационного упрочнения, поверхностной термической обработ-
ки, образования защитных покрытий, модифицирование и легирова-
ние поверхностного слоя ионно-лучевой обработкой.
Деформационное упрочнение широко используется для повышения
сопротивления усталости гладких деталей и особенно с концентрато-
рами напряжений, но работающих при умеренных температурах
нагрева (до температур возврата).
Термическая и химико-термическая поверхностно-упрочняющие
обработки (поверхностная закалка, цементация, азотирование,
алитирование, борирование и др.) позволяют резко изменить физико-
химическое состояние поверхностного слоя детали и обеспечить
требуемые эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостную
прочность, жаростойкость и др.); ее применение в раде случаев
является единственно возможным методом для обеспечения заданного
ресурса и надежности работы деталей.
Защитные покрытия позволяют существенно повысить жаростой-
кость,- износостойкость и сопротивление коррозии. Высокая теплос-
тойкость детали обеспечивается плазменным напылением, когда
соединение двух материалов происходит в результате молекулярной
диффузии при температурах в несколько тысяч градусов.
100
Практическое применение получили также наплавление, лазерная
обработка, ионное легирование и др. Некоторые из этих техноло-
гических процессов одновременно повышают сопротивление усталос-
ти, коррозии, эрозии и улучшают другие эксплуатационные свойства
поверхностного слоя детали.
5.1.	УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМ
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Существует много методов поверхностного пластического
деформирования (ППД) деталей, основанных на статическом и
динамическом воздействии на поверхностный слой, вызывающем в
нем пластическую деформацию. Основными из них являются дробес-
труйный, гидро- и пневмогидродробеструйный; гидро- и виброгалтов-
ка; обработка стальными шариками, колеблющимися с ультразвуко-
вой частотой (ультразвуковое деформационное упрочнение); обработ-
ка микрошариками; обкатка роликами и шариками; алмазное выгла-
живание; упрочнение энергией взрыва. Выбор метода деформацион-
ного упрочнения предопределяется прежде всего видом материала,
формой и размерами детали.
Дробеструйная обработка применяется для упрочнения деталей
из сталей, чугуна и сплавов небольших размеров, сложной конфи-
гурации или с малой жесткостью (шестерни, пружины, рессоры и
др.). Глубина наклепа при обдувке дробью не превышает 0,8 мм.
Дробеструйная обработка ухудшает исходную шероховатость
поверхности детали. Режим обработки определяется скоростью
Рис. 5.1. Схема гидродаобеструйной установки:
1 — насос; 2 — камера; 3 — обрабатываемая деталь; 4 — сопло; 5 — бак
101
дроби, расходом его за единицу времени и продолжительностью
обдува.
Деформационное упрочнение поверхностного слоя гидро- и пнев-
могидродробеструйной обработкой производят стальными шариками
с эмульсией или трансформаторным маслом на специальных установ-
ках, принцип действия которых основан на эжекции (рис. 5.1).
Обрабатываемая деталь (лопатка, закрепленная замком в переход-
нике) совершает вращательное движение (примерно 20 об/мин) и
возвратно-поступательное движение (20...50 мм/мин) относительно
сопел. Сопло-эжектор расположен на дне камеры иа расстоянии
200...250 мм от оси вращения лопаток. При подаче воздуха из сети
или смазочно-охлаждающей жидкости под давлением от местной
насосной станции в эжекторе создается разрежение и стальные
шарики вместе с маслом или эмульсией засасываются в сопло через
заборные окна и под давлением подаются на деталь.
Удары дробинок воспринимаются металлом детали через жидкос-
тную пленку, вследствие чего происходит более равномерное распре-
деление ударной нагрузки на поверхность, чем при обработке сухими
шариками. Одновременно жидкость оказывает охлаждающее дей-
ствие.
Давление и время обработки устанавливаются в зависимости от
материала и размера детали.
Шероховатость поверхности после гидродробеструйной обработки
шариками из стали ШХ15 о1,6...2 мм ухудшается примерно с Ra —
= 0,63...0,32 мкм до Ra = 2,5...О,65 мкм.
Для деформационного упрочнения дисков компрессора применяют
восьмисопловые установки. Этим методом упрочняют цапфы, шестер-
ни, валы, трубопроводы и другие детали.
Пневмодробеструйным упрочнением обрабатывают также крупно-
габаритные заготовки со сварными швами и заготовки, шероховатость
поверхности которых должна быть не выше Ra = 2,5... 1,5 мкм.
Гидрогалтовка. Деформационное упрочнение гидрогалтовкой
основано на механическом воздействии рабочей смеси (стальная
дробь о0,6...0,8 мм и масло) на обрабатываемую поверхность при их
соударении. Наличие масляной пленки создает условия гидравличес-
кого удара и жидкостного трения дроби о поверхность детали и
благоприятствует пластическому деформированию тонкого повер-
хностного слоя при сохранении малой шероховатости.
Оптимальный режим упрочнения гидрогалтовкой устанавливают
экспериментально. Он зависит от многих факторов: материала детали
и температуры нагрева ее в условиях эксплуатации, размеров и
формы детали и др. Например, лопатки из титанового сплава ВТЗ-1
ротора компрессора обрабатывают по следующему режиму: частота
102
Рис. 5.2. Схема установки с инерционным приводом для виброгалтовки лопаток
компрессора
вращения ротора (дробеструйного колеса) 450 об/мин, продолжитель-
ность обработки 30 мин. Шероховатость обработанной поверхности
Ra = 0,63...0,15 мкм, степень наклепа 20 %.
Виброгалтовка. Вибрационная галтовка осуществляется на инер-
ционных дисбалансных установках. Рабочая камера установки совер-
шает колебательные движения в трех или двух плоскостях, а приспо-
собление с закрепленными в нем лопатками вращается. При работе
вибратора приспособлению с лопатками и рабочей средой (наполни-
телем) сообщаются колебательные движения с заданными частотой
и амплитудой. Непрерывно перемещающиеся стальные шарики,
ударяясь о поверхность лопаток, сглаживают неровности и пластичес-
ки деформируют поверхностный слой.
Виброгалтовочная установка с инерционным приводом (рис. 5.2)
состоит из контейнера /2, ротора с лопатками /3, вибратора с приво-
дом, рамы 11с закрепленными на ней подвижными частями, которая
в процессе работы опирается на пневматические баллоны /О, основа-
ния 4 с резиновыми амортизаторами 8. В состоянии покоя рама 11
контейнера 12 опирается на стойки 9. Вибрационные колебания
контейнера осуществляются полым валом б с дисбалансовыми груза-
ми 5. Вращение валу передается от электродвигателя 1 через две
эластичные муфты 7 и валик 3. Торможение вала при остановках
производится электромагнитным колодочным тормозом 2. Подача
воздуха осуществляется через фильтр 14 и редуктор давления /5.
Контейнер имеет коробчатую форму с цилиндрическим дном. В его
верхней и нижней частях приварены коллекторы для подвода и
отвода промывочно-охлаждающей жидкости.
103
Установка работает следующим образом. В контейнер заливают
рабочую жидкость, устанавливают ротор с лопатками и засыпают
стальные шарики. Контейнер закрывают крышкой и включают насос,
прокачивающий жидкость. В пневмобаллоны подают воздух под
давлением (2...3)-105 Па, поднимающий контейнер на заданную
высоту, обеспечивающую включение привода вибратора. Очистка
контейнера от стальных шариков осуществляется пневмоотсосом.
Режим виброгалтовки устанавливается экспериментально. Так,
для обработки лопаток из стали 13Х12Н2ВМФ применяют следую-
щий режим: амплитуды колебаний — вертикальная 2,9...3,6 мм,
боковая 1,0...1,1 мм; осевая 0,1...0,15 мм; частота колебаний 24 Гц.
Шероховатость поверхности пера лопатки после упрочнения Ra =
= 0,32...0,16 мкм.
Виброгалтовкой обрабатывают также сепараторы подшипников,
диски компрессора, высоконагруженные шестерни, шлицы валов
компрессора и др.
Ультразвуковое деформационное упрочнение. Установка для
упрочнения ультразвуковым деформированием лопаток ГТД
(рис. 5.3) и других деталей состоит из генератора ультразвуковых
колебаний, магнитострикционного преобразователя 1 электрических
колебаний в механические и преобразователя 2 (концентратора) с
рабочей камерой для размещения упрочняемых заготовок 4 и рабоче-
го тела 3 (шариков), при помощи которых энергия механических
колебаний ультразвуковой частоты передается шариками.
Упрочняемые детали закрепляются в зажимах, установленных на
верхней крышке 5 рабочей камеры. В качестве генератора ультразву-
ковых колебаний обычно используют генераторы УЗГ-2-10 (мощность
до 10 кВт, частота 18...20 кГц). Де-
формационное упрочнение оконча-
тельно обработанных лопаток осущес-
твляется стальными шариками диа-
метром 1...3 мм, смачиваемыми эму-
льсией. Заданная степень деформаци-
онного упрочнения поверхностного
слоя детали обеспечивается выбором
режима обработки (расстояние детали
от вибрирующих стенок камеры, про-
должительность обработки, диаметр
стальных шариков).
Рис. 53. Установка для ультразвукового де-
формационного упрочнения:
I — магнитостриктор; 2 — рабочая камера; 3 —
шарики; 4 — лопатка; 5 — крышка
104
Рис. 5.4. Схема многопозиционной дробе-
метной установки для упрочнения деталей
микрошариками
Шероховатость поверхности
после упрочнения ухудшается по
сравнению с исходной.
Деформационное упрочнение
микрошариками. Основное преиму-
щество данного метода — возмож-
ность деформационного упрочнения
маложестких деталей сложной гео-
метрической формы, деталей с тон-
кими кромками, малыми радиусами
переходных поверхностей, галтеля-
ми. При этом достигается шерохо-
ватость поверхности Ra = 0,63... 0,16 мкм и деформационное упро-
чнение тонких поверхностных слоев. В поверхностном слое лопаток
возникают сжимающие остаточные макронапряжения, имеющие
максимальное значение у поверхности.
Схема многопозиционной установки для упрочнения микрошари-
ками резьбовых деталей, пазов елочных хвостовиков лопаток турбин,
пера лопаток компрессора и других заготовок показана на рис. 5.4.
Преимуществом установки является широкая возможность регулиро-
вания скоростей полета микрошариков.
Обкатка роликами и шариками. Обкаткой роликами и шариками
упрочняют наружные и внутренние цилиндрические поверхности
(валы, шейки коленчатых валов, болты и др.), реже — плоскости и
фасонные поверхности (шестерни, шлицы, резьбы, пазы в елочных
замках лопаток).
При обкатке роликами основными параметрами режима упрочне-
ния являются давление на ролик, число проходов, форма и размеры
ролика, подача инструмента и скорость обкатки. Давление на ролик
в основном определяет толщину деформированного слоя.
Деформационное упрочнение роликами и шариками снижает
шероховатость поверхности, повышает сопротивление усталости и
износу, надежность посадок и контактную жесткость.
Алмазное выглаживание. Алмазное выглаживание — отделочно-
упрочняющая обработка, обеспечивающая шероховатость поверхнос-
ти Ra - 0,63,..0,04 мкм и деформационное упрочнение поверхностно-
го слоя.
105
Физическая сущность этого метода заключается в пластическом
деформировании (выглаживании) поверхностного слоя детали сфери-
ческим алмазным наконечником с высокой скоростью и подачей,
обеспечивающими непрерывность механического воздействия и
взаимное перекрытие следов движения алмазного наконечника.
Выглаживание рекомендуется производить с применением СОЖ,
лучшая из которых — индустриальное масло 20.
Алмазному выглаживанию подвергаются поверхности тел враще-
ния и плоские поверхности деталей из различных конструкционных
материалов (валы компрессора и турбины, торцы гаек, переходники,
втулки и др.), а также детали с металлическими покрытиями (хроми-
рованные, никелированные и др.).
Оптимальные режимы для алмазнрго выглаживания некоторых
металлических покрытий (хромированных, никелированных, никель-
фосфорных, серебряных) следующие: усилие выглаживания Р -
= 100...200 Н, подача 0,05.1.0,08 мм/об, радиус алмаза 2...5 мм.
5.2.	ПОВЕРХНОСТНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ
И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Поверхностная термическая обработка (ПТО) широко
используется в машиностроении, являясь эффективным методом
повышения износостойкости и сопротивления усталости металлов. В
основном ПТО применяют для обработки углеродистых и легиро-
ванных сталей, которым свойственно мартенситное превращение при
охлаждении. ПТО заключается в нагреве поверхностного слоя до
температур врше критической точки и последующем резком охлаж-
дении, в результате чего происходит закалка. ПТО может быть
использована-и для обработки других материалов, которые испытыва-
ют фазовые превращения в твердом состоянии.
По способу нагрева различают две группы методов ПТО. К первой
группе методов, основанных на нагреве от внутреннего источника
теплоты, расположенного в поверхностном слое, относятся ПТО с
нагревом ТВЧ, электронно-лучевая (ЭЛО) и лазерная (ЛО) обработ-
ки. Ко второй группе относятся методы, основанные на нагреве от
внешних источников теплоты (кислородно-ацетиленовой горелки,
жидкой металлической ванны и др.). Первой группе методов свой-
ственны высокая скорость нагрева, что в ряде случаев позволяет
проводить ПТО иа воздухе, а также очень большие скорости охлаж-
дения (закалки). Последнее дает возможность получить в поверхнос-
тном слое метастабильиое структурное состояние (например, мелко-
игольчатый мартенсит), обеспечивающее высокую твердость, износос-
106
тойкость и т.п. Кроме того, изменением параметров ТВЧ, электрон-
ного и лазерного пучков можно широко менять режимы ПТО.
Большое внимание уделяется развитию корпускулярно-фотонной
технологии, составными частями которой являются ЭЛО и ЛО.
Технологическая установка для ЭЛО содержит следующие функ-
циональные узлы: генератор электронов (электронная пушка), систе-
ма формирования электронного пучка, устройство контроля парамет-
ров пучка, рабочая камера, в которую помещают обрабатываемую
заготовку. Взаимодействие электронного пучка с поверхностным
слоем детали сопровождается интенсивным тепловыделением. Причем
нагрев поверхностного слоя определяется параметрами электронного
пучка (тока луча, энергии электронов), временем воздействия, а
также теплофизическими характеристиками материала детали.
Для термической обработки без оплавления обычно используют
пучки с поверхностной плотностью мощности g z 104 Вт/см . В
зависимости от параметров электронного пучка можно легко менять
положение зоны наиболее интенсивного тепловыделения относитель-
но поверхности (обычно в пределах 10—1...102 мкм). Распространение
теплоты от зоны тепловыделения происходит в результате теплопро-
водности. Поэтому для материалов с низкой теплопроводностью
температура на поверхности может быть заметно ниже, чем в зоне
наиболее интенсивного эиерговыделения. Таким образом, ЭЛО позво-
ляет варьировать распределением температуры по глубине поверхнос-
тного слоя в очень широком интервале. Электронно-лучевые установ-
ки имеют более высокий КПД по сравнению с лазерными.
ЭЛО позволяет получить в поверхностном слое углеродистых и
быстрорежущих сталей структурно-фазовое состояние (СФС), обеспе-
чивающее высокую твердость и повышенную износостойкость. Глуби-
на упрочненного слоя составляет несколько десятков микрометров.
Особенностью СФС поверхностного слоя металла после ЭЛО (по
сравнению с СФС после ЛО) является наличие радиационных дефек-
тов.
Термомеханическая обработка (ТМО) включает совмещенные в
одном технологическом цикле операции термообработки и пластичес-
кого деформирования сплавов, испытывающих фазовые превращения.
ТМО позволяет сформировать особое СФС металла, характеризую-
щееся наличием полунепроницаемых дислокационных барьеров. Эти
барьеры, с одной стороны, являются достаточно эффективными пре-
пятствиями для дислокаций, с другой — при высоких напряжениях
дают возможность дислокациям ’’прорываться” сквозь них в соседние
объемы, что ведет к релаксации напряжений без образования субмик-
ротрещин. Такое структурное состояние характеризуется достаточно
высокой прочностью и большой пластичностью. Оно реализуется при
107
наличии в металле равноосных, дисперсных субзерен, отделенных
друг от друга границами с пониженной плотностью дислокаций. Эти
границы и являются полунепроницаемыми дислокационными барье-
рами.
При поверхностной ТМО пластическая деформация осуществляет-
ся обкатыванием роликами, обработкой дробью, виброударной обра-
боткой и другими методами ППД. Применение поверхностной ТМО
позволяет повысить эксплуатационные свойства деталей (сопротивле-
ние усталости, в том числе при фреттинге, износостойкость и
ДР-).
5.3.	ЗА1ЦИТНО-УПРОЧНЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ
Один из наиболее эффективных технологических методов
повышения ресурса и надежности работы деталей, используемых й
машиностроении, — нанесение на поверхность деталей различных
покрытий. Покрытием будем называть поверхностный слой детали,
целенаправленно создаваемый воздействием окружающей среды на
поверхность материала детали и характеризующийся конечной
толщиной, а также химическим составом и структурно-фазовым
состоянием, качественно отличающимися от аналогичных свойств
матрицы.
Покрытия различают по методам и способам Получения. Можно
выделить три основных- метода получения покрытий: физический,
химический и физико-химический.
Подготовка поверхности детали перед нанесением покрытия.
Работоспособность деталей с покрытиями в значительной степени
зависит от состояния их поверхностного слоя перед нанесением
покрытия, поэтому следует рассмотреть влияние основных парамет-
ров поверхностного слоя детали на качество наносимых покрытий и
технологию подготовки поверхности под покрытие.
Химическая чистота поверхности детали — одно из основных
условий высокого качества наносимого покрытия. Загрязненность
поверхности детали затрудняет взаимодействие покрытия с материа-
лом детали, способствует возникновению несплошностей в покрытии
и областей с высокими локальными напряжениями. Все это снижает
прочность сцепления покрытия с подложкой и, как следствие, приво-
дит к отслаиванию и растрескиванию покрытия (в процессе его
нанесения).
Отметим, что практически все способы обработки металла ведут
к загрязненности его поверхностного слоя. Загрязнения на поверхнос-
ти могут состоять из оксидов, образующихся при термической обра-
ботке, а также в результате коррозии на воздухе; щелочных соедине-
108
\ ний и солей, остающихся после обезжиривания и химического трав-
\ ления; многочисленных органических соединений, являющихся
Достатками СОЖ, полировальных паст, органических растворителей.
< На качество покрытий оказывает существенное влияние топогра- '
фия поверхности детали. Обычно на ее поверхности перед нанесени-
ем покрытия не допускается грубых дефектов рельефа — раковин,
царапин, забоин. В то же время повышение шероховатости химичес-
ки чистой поверхности детали во многих случаях (при нанесении
покрытий газотермическим и вакуумно-плазменным способами, при
погружении в расплав, эмалировании и др.) способствует лучшему
сцеплению покрытия с подложкой. Например, прочность сцепления
на срез между алюминием, нанесенным методом электродуговой
металлизации, и стальной подложкой увеличивается при более
высокой шероховатости. Это обусловлено увеличением площади
реальной поверхности детали и, следовательно, интенсификацией
взаимодействия между покрытием и подложкой.
В то же время с повышением шероховатости увеличивается коли-
чество адсорбированных на поверхности примесных атомов. Химичес-
кая очистка шероховатой поверхности затруднена по сравнению с
очисткой гладкой поверхности. В ряде случаев, например, при нане-
сении покрытий методом электронно-лучевого испарения и конденса-
ции, а также при гальваническом хромировании рост шероховатости
способствует появлению несплошностей в покрытии. Однако это
могло быть обусловлено повышенной загрязненностью шероховатой
поверхности.
Кроме того, от исходной шероховатости поверхности детали
зависит шероховатость поверхности готовой детали. Влияние подго-
товки поверхности стали 45Х на качество деталей исследовали после
низкотемпературной нитроцементации  (НТНЦ). При точении,
шлифовании и механическом полировании поверхности параметр
шероховатости Ra соответственно составлял 3,4, 0,39 и 0,31 мкм,
после НТНЦ — 4,2, 0,52 й 0,44 мкм. При вакуумно-плазменном
напылении покрытия Ni — Cr — Al — Y на образцы из сплава ЖС6У,
подвергнутые виброабразивной обработке, значение параметра Ra
увеличивается от 0,2 до 1,2 мкм. При гальваническом хромировании
параметр Ra увеличивается в 1,5...2 раза.
Можно предположить, что для каждой системы деталь — покрытие
существует некоторая оптимальная шероховатость, значение которой
зависит от условий работы детали, физико-химического состояния
материала детали и покрытия, метода нанесения покрытия и других
факторов.
Остаточные напряжения (макронапряжения и напряжения от
дефектов решетки) в поверхностном слое детали интенсифицируют
109
взаимодействие между материалами покрытия и подложки. Это
обусловлено активацией поверхности, облегчающей образование
зародышей покрытия, и повышением диффузионной подвижности)
элементов в сплавах при наличии в них дефектов решетки. Если/
температура поверхностного слоя детали при нанесении покрытия и
дальнейшей эксплуатации невелика, то наклеп и остаточные макро-
напряжения существенно влияют на ее работоспособность. Например,
долговечность при повторных циклических нагрузках с о = 1000 МПа
образцов из стали ЗОХГСА после шлифования и гальванического
хромирования составляет 7- 103 циклов, шлифования с последующей
пескоструйной обработкой и хромирования — 5-104 циклов, шлифо-
вания с последующим алмазным выглаживанием и хромирования —
5,5’ 104 циклов. Рост сопротивления усталости в этом случае обус-
ловлен упрочнением поверхностного слоя подложки при ППД, что
препятствует распространению трещин, образующихся в хромовом
покрытии, в основной металл.
Однако неоднородность распределения остаточных напряжений по
поверхности детали способствует неравномерному распределению
зародышей покрытия и, как следствие, повышенной пористости.
Влияние остаточных напряжений на качество покрытия уменьшается
с ростом температуры и длительности процесса наиесеиия покрытия.
Так, например, не обнаружено различий в толщине диффузионной
зоны и характеристиках ее СФС для образцов из стали 45Х после
точения, шлифования и ППД обкатыванием с последующей нитроце-
ментацией при 570 °C.
Методы подготовки поверхности под покры-
тие можно условно разделить на механические, химические, электро-
химические и физические.
К механическим методам относятся, например, шлифование и
полирование, галтовка и виброабразивная обработка. В ряде случаев
эта обработка с использованием жидких химических активаторов по
существу является химико-механической. Так, струйно-абразивная
обработка является эффективным методом подготовки поверхностного
слоя деталей для покрытий, не требующих предварительного полиро-
вания поверхности. Струйно-абразивная обработка бывает пескос-
труйная, абразивно-жидкостная и др. При такой обработке в качестве
абразивного материала большое распространение получили электро-
корунд, стеклянные шарики, которые хорошо очищают поверхность
от оксидных пленок, нагара и мало загрязняют поверхность обраба-
тываемой детали. В процессе абразивно-жидкостной обработки деталь
промывают водной суспензией, содержащей абразивные частицы. В
ряде случаев в эту суспензию вводят химические активаторы. Наряду
110
с очисткой поверхности механические методы изменяют ее топогра-
, фию, наклеп и остаточные макронапряжения.
\ Химическая обработка включает обезжиривание, травление и
иодирование. Химический способ удаления жиров основан на взаимо-
действии с ними органических растворителей (тетрахлорэтилена,
четыреххлористого углерода, бензина, керосина и др.). Обезжирива-
ние проводят погружением деталей в жидкий растворитель, в паровой
фазе, а также используют струйную обработку. Очень эффективна
ультразвуковая очистка, удаляющая загрязнения из самых трудно-
доступных участков поверхности. После обезжиривания обычно
проводят травление детали, а в тех случаях, когда требуется низкая
шероховатость поверхности, — полирование.
Для подготовки поверхности используют также электрохимичес-
кую обработку. При такой обработке процесс очистки протекает
очень интенсивно благодаря обильному выделению на поверхности
детали газа и электрохимическому растворению окислов и металлов.
Промывка деталей в воде позволяет удалить с поверхности детали
остатки жидких химических реактивов и продукты предыдущей
очистки. После промывки производят сушку деталей при невысоких
температурах.
Физические методы подготовки поверхности включают взаимо-
действие на нее высокоэнергетических частиц (ионов, электронов,
фотонов), а также тепловое воздействие (например, вакуумный
отжиг, при котором выгорают жидкие органические загрязнения,
происходит дегазация металла).
 Мы рассмотрим лишь метод ионной очистки (ИО), широко
используемый для очистки поверхности деталей электронной техни-
ки. Этот метод состоит в распылении материала с поверхности твер-
дого тела в результате обработки ее ионами.
Эффективность распыления характеризуется коэффициентом Sp,
равным отношению числа распыленных атомов к числу падающих на
поверхность ионов. Скорость распыления, т.е. число частиц, распы-
ленных за 1 с,
Vp = DSfI/j,
(5.1)
где D = 6,15-1012 — доза облучения, ион/см2; j — плотность ионного
тока, мкА/см2; <Sp — коэффициент распыления, атом/ион; Z —сила
ионного тока, мкА.
Толщину распыленного слоя можно оценить из выражения
111
= SpD/Sa,
(5.2)
где — р/ Ama — атомная плотность, атом/см3; p — плотность мате-
риала мишени, г/см3; А — атомная масса материала мишени; та =>
~ 1,66- КГ24 — атомная единица массы, г.	/
Физическое распыление происходит в результате передачи атомами
мишени кинетической энергии первичных ионов. Чтобы атом поки-
нул поверхностный слой, его энергия должна быть больше энергии
связи с твердым телом. Поэтому распыление наблюдается, если
энергия первичных ионов Е больше критического значения Es.
Значение Es обычно составляет около 10 эВ. При Е> Es значение Sp
быстро увеличивается с ростом Е, затем скорость увеличения Sp
снижается, величина Sp достигает максимума и, наконец, снижается.
При Е ~ I кэВ, когда ионная имплантация практически отсутствует,
величина Sp обычно имеет значение порядка КГ’^.ДО1 атом/ион.
Значение Sp зависит от угла падения ионов 0, отсчитываемого от
нормали к поверхности мишени. С ростом 6 до критического значе-
ния 0кр, равного нескольким десяткам градусов, Sp увеличивается
(Sp ~ 1/cos 0), затем снижается.
Эффективность ионной очистки зависит от давления остаточного
газа р в камере, в которой ведется очистка. В простейшем приближе-
нии она увеличивается с ростом параметра (Spj\pT~~>/р, где Т
абсолютная температура металла.
При ионной очистке обычно снижается шероховатость поверхнос-
ти, происходит ее активация; повышается температура. Это облегча-
ет зародышеобразование на начальном этапе формирования покры-
тия. Кроме того, ионная обработка способствует ускорению диффузи-
онных процессов в поверхностном слое подложки, в результате чего
увеличивается протяженность переходной зоны между покрытием и
подложкой, что обеспечивает хорошее сцепление между ними. Таким
образом, ионная очистка является эффективным методом подготовки
поверхности детали непосредственно перед нанесением покрытия.
Химические методы получения покрытий. Пиролиз летучих
соединений в протоке. Сущность метода состоит в том, что в реакци-
онный объем непрерывно подается смесь газа-носителя и летучих
соединений осаждаемого металла (сплава), которые, достигая предва-
рительно нагретой зоны разложения, разлагаются на поверхности
детали с образованием твердой фазы и продуктов реакции, выводи-
мых из системы.
Процесс осаждения реализуется как в вакууме, так и при атмос-
ферном давлении. Нагрев детали осуществляется прямым пропуска-
112
нием электрического тока или с помощью специального нагревателя.
Установки, предназначенные для нанесения покрытий термическим
разложением карбонилов или галогенидов, содержат следующие
основные узлы: реактор, испаритель или сублиматор, систему очис-
тки газов, конденсатор, нагреватель образца-подложки, измеритель-
ные устройства. Для получения многокомпонентных покрытий необ-
ходимо использовать несколько испарителей-сублиматоров, в которые
загружаются карбонилы или галогениды металлов.
МикрОтвердость пиролитических покрытий близка к соответствую-
щим значениям для электролитических осадков, достигая 200...
250 HV для Мо и 400...450 HV для W. Прочность сцепления покры-
тии с подложкой определяется, с одной стороны, термическими
напряжениями, возникающими" в зоне контакта вследствие различия
в коэффициентах термического расширения используемых материа-
лов, а с другой — способом подготовки поверхности детали под по-
крытие. В любом случае для обеспечения высокопрочного сцепления
покрытия с подложкой необходимо проводить длительный диффузи-
онный отжиг детали при рабочих температурах. Почти для всех
пиролитических покрытий характерна ярко выраженная столбчатая
структура, причем направление столбиков обычно совпадает с нор-
малью к фронту кристаллизации. Размер столбцов зависит от усло-
вий осаждения. Так, например, осадки молибдена, полученные при
высоких температурах (Т > 800 °C), обладают крупнокристалличес-
кой структурой и преимущественной текстурой, четко выраженной
уже на ранних стадиях кристаллизации. Возможность формирования
покрытий с заданной кристаллографической ориентацией является
одним из достоинств способа пиролиза летучих соединений металлов
в протоке, что особенно важно для создания высокоэффективных
катодов и анодов термоэмиссионных преобразователей.
В то же время нанесение многокомпонентных покрытий термичес-
кой диссоциацией легколетучих веществ связано с большими труд-
ностями, поскольку галогениды и карбониды металлов сублимируют
и разлагаются в широком диапазоне температур. Например, реакция
(YJ3) * [Y] + 3(J) протекает при температурах больше 1800 °C, а
диспропорционирование (А13) имеет место при низких температурах
(500...900 °C). Поэтому получение многокомпонентных покрытий
пиролизом в протоке возможно только при использовании аппаратов
с несколькими сублиматорами.
Большой расход элементов покрытия, неоднородность осадков по
толщине, а также Избирательность массопереноса в значительной
степени предопределили ограниченное применение способа в про-
мышленных масштабах.
113
Водородное восстановление летучих галогенидов металлов.
Процесс водородного восстановления газообразных фторидов и хлори-
дов металлов согласно суммарным реакциям
(MeF„) + п/2(Н2) - (Me] +n(HF);
(MeClft) + n/2(H2) - [Me] + n(HCl)
проводится при давлении в аппарате 1,3* 1О3...1,3* 104 Па. При
этом значения коэффициентов использования фторидов и хлоридов
достигают 0,98, что значительно выше, чем при пиролизе карбонилов
(примерно 0,30). В отличие от пиролиза при водородном восстановле-
нии водород выступает в качестве химически активной добавки,
снижающей температуру начала осаждения покрытия и оказывающей
каталитическое влияние на скорость процесса.
Свойства получаемых покрытий из тугоплавких металлов можно
кратко охарактеризовать следующим образом: I) значения микро-
твердости осадков сравнимы с величинами микротвердости для соот-
ветствующих карбонильных покрытий (440...520 HV для W; 200...
240 НУ для Мо; 200...300 HV для Nb); 2) плотность составляет
95...98 % от теоретической; 3) микроструктура имеет столбчатый
характер; 4) в зависимости от режима нанесения возможно получе-
ние преимущественной текстуры роста; 5) адгезионные свойства, как
и для пиролитических покрытий, определяются наличием термичес-
ких напряжений при эксплуатации, подготовкой поверхности детали
под покрытие и температурой детали при осаждении (в любом случае
достаточно толстые фторидные покрытия при эксплуатации в услови-
ях высоких температур Т > 1500 °C отслаиваются).
Возможности осаждения многокомпонентных покрытий с помощью
водородного восстановления не исследованы ни экспериментально, ни
теоретически. Вероятно, избирательность массопереноса элементов не
позволит получать однородные по составу осадки.
Одним из эффективных способов получения чистых металлов и
сплавов, а также металлических покрытии является способ химичес-
ких транспортных реакций (ХТР). Сущность способа заключается
в том, что твердое или жидкое вещество реагирует с газовой фазой
по обратимой химической реакции с образованием легколетучих
соединейий, которые, поступая в зону с другими условиями химичес-
кого равновесия, разлагаются с выделением исходного вещества и
газообразного компонента. Последний возвращается в зону переноси-
мого металла (зоны сырья), замыкая тем самым цикл транспортной
114
реакции. Лимитирующей стадией процесса химического транспорта
обычно является доставка реагентов из зоны сырья в зону детали или
адсорбция осажденных элементов.
Подготовка поверхности под покрытие осуществляется в рабочей
камере посредством химического травления в атмосфере агрессивной
газовой среды (J2, С12, Вг2). В качестве сырья используют слитки,
стружку или порошок материала покрытия. Скорости осаждения
тугоплавких металлов достигают нескольких десятков микрометров
в минуту, т.е. сравнимы с максимальными скоростями осаждения тех
же металлов при водородном восстановлении.
Способ ХТР применяют и для формирования жаростойких покры-
тий, например MoSi2 на ниобиевых сплавах, карбид циркония и хром
на жаропрочных сталях. В промышленности наиболее часто ХТР
используют для алитирования жаропрочных сплавов в системах Al—J,
Al—CI, Al—F, причем для этой цели предпочтение отдается реакторам
(контейнерам) открытого типа, в которых реализуется диффузионное
насыщение из порошковых смесей с галогенидными активаторами.
К недостаткам способа ХТР прежде всего следует отнести высокую
избирательность массопереноса, что предопределяет невозможность
нанесения многокомпонентных- покрытий, и относительно низкую
производительность. Необходимо также отметить сложность оборудо-
вания при реализации способа ХТР в условиях высокого вакуума, а
также неэффективность обработки крупногабаритных заготовок.
Физические методы получения покрытий. Наплавка является
одним из высокопроизводительных методов нанесения покрытий на
поверхности деталей, нашедшим широкое применение в производстве
разнообразных изделий, например клапанов двигателей внутреннего
сгорания. Наплавкой называется процесс нанесения защитного по-
крытия на поверхность детали целенаправленно выбранным методом
сварки. К нему можно отнести: ручную (газовую или дуговую),
полуавтоматическую (дуговую в среде защитного газа или без
защитной среды) и автоматическую (дуговую под флюсом) сварку.
В качестве наплавочных материалов чаще всего используют перлит-
но-сорбитные, мартенситные, высокомарганцевые аустенитные и
высокомарганцевые стали, карбиды вольфрама, а также коррозионно-
стойкие стали, сплавы на основе никеля и меди. Эти материалы
применяют, с одной стороны, для повышения износостойкости, а с
другой — для улучшения коррозионной стойкости матричного сплава.
Толщина наплавленных покрытий лежит в пределах 0,5...40 мм.
Структура формируемого слоя зависит от режима обработки, а также
от СФС материалов покрытия и детали. Например, при наплавке
коррозионно-стойкой стали на низкоуглеродистую структура образо-
ванного поверхностного слоя представляет собой смесь аустенита и
115
мартенсита. Зона контакта покрытия с поверхностью детали всегда
содержит большое количество углеродных включений, что приаодит
к охрупчиванию материала детали.
В практике машиностроения, применяются и другие разновидности
наплавки, например виброконтактная и вибродуговая, наплавка с
нагревом токами высокой частоты. В последнем случае износостой-
кость обрабатываемых деталей может быть повышена в 10... 15 раз.
Электронно-лучевое испарение в вакууме. Среди всех способов
физического метода нанесения покрытий в вакууме прямое электрон-
но-лучевое испарение (ПЭЛИ) занимает особое место. Это прежде
всего связано с преимуществами нагрева материала покрытия посред-
ством электронной обработки и, как следствие, с возможностью
переноса многокомпонентных систем. Сущность электронно-лучевого
нагрева заключается в следующем: 1) электрон после прохождения
через электрическое поле с разностью потенциалов U ускоряется и
приобретает кинетическую энергию Ек = Q,5mev2(, — eU, где те, ve,
е — масса, скорость и заряд электрона; 2) при взаимодействии элек-
трона с атомами поверхностных слоев материала основная доля
кинетической энергии выделяется в виде теплоты; 3) максимальное
торможение электрона происходит в конце пробега (при U — 15...
20 кВ. глубина проникновения электронов в металлы 1...2мкм),
поэтому большая часть теплоты выделяется на некотором расстоянии
от поверхности, что обеспечивает однородность химического состава
расплавленной зоны. Такие особенности характеризуют электронный
луч как эффективное средство нагрева испаряемого вещества.
При нанесении покрытий способом ПЭЛИ протекают следующие
процессы: 1) плавление тонкого поверхностного слоя сплава; 2)
объемная диффузия и вынужденная конвекция компонентов сплава
в расплавленном объеме; 3) испарение элементов с поверхности
расплава; 4) доставка испарившихся атомов в зону подложки; 5)
поверхностные процессы; 6) абсорбция хемосорбированных атомов.
Лимитирующей стадией обычно являются доставка испарившихся
атомов в зону осаждения (молекулярный режим) или поверхностные
процессы в зоне подложки (кинетический режим).
Для нанесения многокомпонентных и композиционных покрытий
на лопатки в Институте электросварки им. Е.О. Патона разработаны
и внедрены электронно-лучевые установки УЭ175 и УЭ137. Установ-
ка УЭ137 (рис. 5.5) имеет две камеры: рабочую 1 и вспомогательную
6. К рабочей камере пристыкована рама, на которой смонтирован
привод 7 подачи, перемещения и вращения заготовок. Установка
оснащена шестью или семью электронно-лучевыми пушками 3, из
которых одна или две предназначены для нагрева заготовок. Кон-
116
74 О 11 10	9
Рис. 5.5. Схема установки УЭ137:
1 — камера испарения; 2 — камера электронных пушек; 3 — пять пушек испарения;
4 — пушка нагрева; 5 — обрабатываемые детали; б — вспомогательная камера; 7 —
привод вращения и перемещения детали; 8 — подающий шток; 9 — вакуумный затвор;
10 — заслонка; //, 12 — тигли с испаряемым материалом; 13 — привод подачи
слитков на испарение; 14 — защитный экран
структивные особенности пушек позволяют получать семь независи-
мых электронных пучков регулируемой мощности. С помощью
соответствующей аппаратуры управления формируется оптимальная
конфигурация зон нагрева с различной траекторией развертки луча
на поверхности испаряемых материалов или обрабатываемых дета-
лей. Для нагрева деталей сложного профиля и переменного сечения
применяют систему, позволяющую работать в режиме сканирования
по заданной программе, что обеспечивает равномерное распределение
температуры по поверхности детали. Процесс нанесения покрытий
проводится в вакууме не ниже 8,75* ИГ-3 Па. В установке использу-
ется автоматическая стабилизация тока или мощности электронных
лучей, ускоряющего напряжения, токов отклонения пучка. Этим
обеспечивается неизменность задаваемых технологических парамет-
ров — скорости испарения, температур поверхности детали, исходного
материала и тщ.
Плотность и прочность сцепления электронно-лучевых покрытий
с подложкой невысоки (по сравнению с аналогичными осадками,
формируемыми с помощью ХТР), однако посредством финишной
термомеханической обработки плотность может быть значительно
увеличена, а адгезионные свойства улучшены.
Поскольку при протекании процессов испарения и конденсации
эффективность очистки невелика, содержание примесей в электрон-
но-лучевом материале может достигать 10—1 % и более (в зависи-
117
мости от чистоты исходного сплава), а значения микротвердости,
измеренной для ряда металлов (Cr, Al, Zr и др.), превышают соответ-
ствующие значения, характерные для тех же элементов, подвергну-
тых химическому транспорту и зонной плавке.
Несмотря на отмеченные недостатки, способ ПЭЛИ является
одним из перспективных, что прежде всего объясняется возмож-
ностью наносить покрытия практически любого состава при различ-
ных температурах детали-подложки. Следует только помнить, что
адекватный перенос элементов сплава невозможен из принципиаль-
ных соображений, поэтому выбор химического состава исходного
сплава должен быть целенаправленным.
Вакуумно-плазменная обработка (ВПО). Для нанесения жарос-
тойких и износостойких покрытий широко используют вакуумную
ионно-плазменную обработку. В основе ее лежат следующие физи-
ческие процессы: 1) испарение элементов материала покрытия в
условиях глубокого вакуума; 2) ионизация компонентов паровой
фазы посредством электрического разряда; 3) доставка ионов из зоны
сырья в зону подложки в ускоряющем электростатическом или
электромагнитном поле; 4) взаимодействие ускоренных ионов с
элементами поверхности осаждения; 5) поверхностные процессы на
подложке. При этом энергия ионов, бомбардирующих поверхность
детали, достигает 100 эВ, что намного превышает энергию частиц,
конденсируемых из пара при использовании ПЭЛИ (IO*”1 эВ).
С помощью способа ВПО на поверхности деталей удается сформи-
ровать как металлические, так и неметаллические неорганические
слои из оксидов, карбидов и нитридов. В этом случае (испарения и
ионизации атомов сырьевого металла) плазма смешивается с реак-
тивным газом, в результате протекают газопламенные реакции,
приводящие к образованию и последующей конденсации соединений,
входящих в состав покрытия. Парциальное давление реактивного газа
в зоне плазмохимических реакций обычно не превышает 10~1 Па.
Для нанесения покрытий способом ВПО разработаны установки
типа ’’Пуск”, ’’Булат” и т.д. Принцип работы установки ’’Пуск”
(рис. 5.6) следующий. После закрепления, обрабатываемых деталей
рабочая камера герметизируется и создается давление не ниже
10~3 Па. На анод 2 и катод 3, а также электрод 4 подается высокое
напряжение. В результате возникновения импульсного разряда между
анодом и катодом зажигается электрическая дуга, которая устойчиво
горит в парах токопроводящего материала катода при напряжении
U = 20...30 В и силе тока I - 150...300 А.
Испарение элементов покрытия осуществляется из области катод-
ных микропятен вакуумной дуги. Стабилизация разряда на катоде,
фокусирование и ускорение ионов плазмы происходит с помощью
118
Рис. 5.6. Схема установки ’’Пуск”:
/ — рабочая камера; 2 — анод; 3 — катод; 4 —
поджигающий электрод; 5 — источник питания;
б — источник отрицательного смещения потен-
циала; 7 — магнит; 8 — система подачи реактив-
ного газа, 9 — система откачки; 10 — система
крепления деталей; // — обрабатываемые детали
магнита 7. Дополнительное ускорение
ионов по направлению к обрабатывае-
мым деталям производится путем при-
ложения к ним отрицательного потен-
циала. Если подложка находится под	I
высоким отрицательным потенциалом	^Iryil	гтп
Ф (1,5 кВ), то происходит эффективная	-T-J+ +1—F
ионная очистка ее поверхности, после чего значение ф снижается до
100 В и происходит собственно процесс нанесения покрытий. Плот-
ность ионного тока достигает j — 10~2...10—1 KJсм\ при этом ско-
рость конденсации составляет 10~2...10—1 мкм/с. При необходимости
в камеру падается реактивный газ.
При нанесений покрытия способом- ВПО генерируемый с катода
поток вещества содержит паровую, ионизированную и микрокапель-
ную фазы. Степень ионизации потока обычно составляет несколько
десятков процентов. В настоящее время разработаны установки,
позволяющие резко сократить количество расплавленных конгломера-
тов (микрокапельной фазы) и увеличить долю ионизированной фазы.
Покрытия, полученные способом ВПО, обладают более высокой
адгезией к материалу подложки (по сравнению с электронно-лучевы-
ми), имеют относительно высокую плотность, дисперсную микрос-
труктуру. Варьируя величину энергии ионов Е, можно добиться
изменения СФС покрытия.
Существует много разновидностей способов нанесения покрытий
в вакууме при осаждении на поверхность детали ионов. Способом
ВПО наносят покрытия как из чистых металлов (Си, Cd, Nb, Та,
Мо, Сг и др.), так и из многокомпонентных систем типа Ni—Al,
Ni—Сг, Ni—Сг—Al—Y, Fe—Сг—Al—Y и др.
Магнетронное распыление. Одним из перспективных способов
получения покрытий является магнетронное распыление (МР). В
основе данного способа лежит процесс распыления материала катода
в результате бомбардировки ионами рабочего газа (обычно Аг) и
осаждение продуктов распыления (представляющих собой в основном
нейтральные атомы) на поверхность обрабатываемой детали.
В отличие от распыления в тлеющем разряде магнетронное рас-
пыление проводят при более высоком разрежении (Р « 10“2...
119
Рис. 5.7. Схема установки для нанесения покрытия
магнетронным распылением:
/ — анод; 2 — катод; 3 — магниты; 4 — область
дрейфа электронов; 5 — распыленные атомы; б —
обрабатываемая деталь
10”1 Па), а напряжение между катодом и анодом не превышает
10 кВ. Магнетронное распыление характеризуется также более
высокой скоростью травления (v ~ 10Л..1 мкм/мин), что вызвано
резким повышением плотности ионного тока на поверхности катода
(до 3-10 А/см2).
Схема установки для нанесения покрытия способом МР приведена
на рис. 5.7. Под распыляемым катодом 2 находятся магниты 3. Сило-
вые линии магнитного поля в виде дуг замыкаются между полюсами
магнитов. При подаче постоянного напряжения (обычно 300...800 В)
между катодом и анодом возникает нелинейное неоднородное элек-
трическое поле и возбуждается электрический разряд. Силовые
линии электрического поля перпендикулярны к силовым линиям
магнитного поля и поверхности катода. Таким образом, распыление
происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Элек-
троны, эмиттируемые с поверхности катода под действием ионной
бомбардировки, ’’захватываются” магнитным полем и совершают
сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям в
окрестности катода (область 4). В результате столкновений электро-
нов с атомами рабочего газа происходит их ионизация. Степень
ионизации рабочего- газа приближается к 100 %, резко увеличивают-
ся концентрация ионов рабочего газа, плотность ионного тока и
соответственно скорость распыления.
При МР частицы, осаждающиеся на поверхность детали, имеют
более высокую энергию (Е ~ IO”1... 10""1 эВ), чем при ПЭЛИ. Это
обеспечивает хорошую адгезию покрытия к подложке. МР позволяет
получать покрытия из чистых металлов, их сплавов, а также полуп-
роводников и диэлектриков. Эти покрытия характеризуются относи-
тельно высокой химической чистотой и низкой пористостью. Коэф-
фициент использования теплоты при магнетронном распылении
значительно выше, чем при всех других распылительных системах.
Скорости распыления материалов обычно различаются не более
чем на порядок, а скорости их испарения — на несколько порядков.
Например, коэффициенты распыления чистых N1 и Мо при бомбар-
дировке ионами Аг+ с энергией 400 эВ различаются приблизительно
в два раза, а скорости их испарения при 200 °C — на пять порядков.
Последнее позволяет получать покрытия с химическим составом,
очень близким к составу распыляемой мишени.
120
Рис. 5.8. Газопламенное напыление
порошкового материала:
1 — сопло; 2 — факел; 3 — покрытие;
4 — подложка (деталь)
100~2У0*м
При магнетронном распыле-
нии сплавов, содержащих резко
отличающиеся по атомной массе
элементы (например, Ti, W), в
покрытиях наблюдается пони-
женная концентрация легкого компонента Ti, что обусловлено более
интенсивным рассеянием легких атомов на ионах рабочего газа.
Газоплазменное и плазменное напыление. Напыление представля-
ет собой процесс нанесения покрытия на поверхность детали с по-
мощью высокотемпературной скорости струи, содержащей твердые
частицы или капли расплава напыляемого материала. В зависимости
от источника тепловой энергии различают газопламенное и электро-
дуговое напыления. При газопламенном напылении используется
теплота, выделяющаяся при горении смеси горячий газ — кислород.
Электродуговое напыление основано на использовании теплоты элек-
трической дуги.
Наиболее широко применяют метод газоплазменного напыления
(рис. 5.8). Разновидностью газоплазменного напыления является
детонационное напыление (рис. 5.9), при котором используется
энергия детонации смеси ацетилена с кислородом. Детонационное
напыление позволяет наносить покрытия из материалов с высокой
температурой плавления.
Электрические методы напыления — электродуговое, плазменное
и высокочастотное индукционное — имеют более широкие технологи-
ческие возможности для нанесения покрытий практически любого
сплава.
Напылением можно наносить покрытия с различными свойствами:
теплостойкими, теплоизоляционными, износостойкими, коррозион-
но-стойкими электроизоляционными и др. В процессе напыления
Рис. 5.9. Схема детонационного напыления:
а — заполнение камеры рабочей смесью; б — подача порошка; в — взрыв рабочей сме-
си и разгон частиц порошка; г — образование покрытия; 1 — деталь, на которую нано-
сится покрытие; 2 — водоохлаждаемый ствол; 3 — камера; 4 — электрический запал
121
покрытий детали нагреваются незначительно (не более 200,..
250 °C).
Плазменное напыление. Механизм образования плазмы схемати-
чески состоит в следующем. Если нагреть газ, молекулы которого
состоят из нескольких атомов, до температуры, превышающей
1000 К, произойдет процесс разрушения молекулярных связей и газ
перейдет в атомарное состояние. Температура этого процесса, назы-
ваемого диссоциацией, определяется в основном природой газа и
давлением. Происходящие при этом изменения, например, в азоте,
можно записать в виде реакции
N2 + UD - 2N,
где UD — энергия диссоциации в электрон-вольтах в расчете на одну
молекулу. Так, например, энергия диссоциации молекул водорода
(Н2), азота (N2) и двуокиси углерода (СО2) составляет соответствен-
но 4,477 эВ, 9,76 эВ и 16,56 эВ. При дальнейшем повышении темпе-
ратуры от атома определяются электроны и происходит его иониза-
ция. При атмосферном давлении и температуре 10000 К такие газы,
как кислород и азот, являются достаточно ионизированными:
’N +	- N* + е,
где Ц — энергия ионизации одного атома, эВ.
Энергия ионизации, необходимая для отрыва одного или двух
электронов для различных элементов, составляет соответственно,
например, для алюминия — 5,984 и 18,823 эВ; азота — 14,54 и
29,605 эВ; аргона — 15,755 и 27,62 эВ; железа — 7,90 и 16,18 эВ. Газ,
в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, а
концентрация электронов и отрицательных ионов равна концентра-
ции положительных ионов, называется плазмой. Плазма, которая в
целом является квазинейтральной, не имеет электрического заряда,
обладает высокой электропроводностью.
Для получения плазмы в промышленности используют два типа
горелок: плазменно-дуговые и плазменно-струйные (рис. 5.10). В
плазменно-дуговой горелке электрическая дуга горит между анодом,
которым является обрабатываемый материал, и катодом, изготовлен-
ными из вольфрама или вольфрамового сплава, содержащего прибли-
зительно 2 %- тория. Дугу стабилизирует закрученный поток рабоче-
го газа, вытекающего из сопла горелки. В плазменно-струйной
горелке дуга образуется между вольфрамовым катодом и анодом,
которым является” медное охлаждаемое водой сопло. Дуга нагревает
122
Рис. 5.10. Плазменно-дуговая (а) и плазменно-струйная (6) горелки
до высокой температуры рабочий газ, подаваемый с закруткой в
камеру горелки и вытекающий из сопла в виде плазменной струи.
Подача интенсивно перемешанного рабочего газа в камеру горел-
ки стабилизирует процесс горения дуги и повышает ее темпера-
туру.
Плазменные горелки позволяют легко получать, плазменную
струю, средняя температура которой на выходе из сопла составляет
несколько тысяч градусов (7000...20000 °C). Такая температура
является достаточной для расплавления любых веществ, существую-
щих в твердом виде.
В качестве рабочего газа обычно используют аргон или азот.
Порошок напыляемого материала подается в сопле горелки струей
транспортирующего газа, нагревается плазмой и далее переносится
на поверхность обрабатываемой заготовки. Принципиальная схема
установки для плазменного напыления дана на рис. 5.11.
Напыление плазменной струей имеет следующие особенности.
Высокая температура плазменной струи и возможность менять ее в
широком диапазоне подбором диаметра сопла и режимов работы рас-
пылителя позволяют производить напыление различных материалов:
металлов (особенно тугоплавких), керамики и органических материа-
лов. Так как в качестве рабочего газа используют инертный газ
(аргон или смесь аргона с 5... 10 % водорода или смесь азота с 5...
10 % водорода), в напыляемом покрытии образуется сравнительно
мало окислов. Поверхность обрабатываемого материала нагревается
Рис. 5.11. Принципиальная схема установки
для плазменного напыления:
I — газ, транспортирующий порошок; 2 —
рабочий газ; 3 — охлаждающая вода; 4 —
источник электроэнергии; 5 — пульт управле-
ния; 6 — порошковый питатель; 7 — плазмен-
ный распылитель; 8 — плазменная струя; 9 —
напыляемое покрытие; 10 — подложка (де-
таль); II — подвод напыляемого порошка.
электроэнергии, рабочего газа, воды, охлаждающей распылитель
123
обычно не выше 100...200 °C, поэтому плазменные покрытия можно
наносить на легкоплавкие металлы и сплавы, пластмассы, дерево.
Покрытия, полученные плазменным напылением, имеют высокую
плотность, и хорошее сцепление с поверхностью детали. Напыляемая
поверхность нагревается не выше 200 °C, следовательно, ее дефор-
мация невелика. Однако процесс плазменного напыления имеет
сравнительно низкую производительность, сопровождается шумом и
сильным ультрафиолетовым излучением, выделением дыма и аэрозо-
лей.
В большинстве случаев соединение напыленного покрытия с
подложкой происходит в результате механического сцепления, поэто-
му для обеспечения высоких адгезионных свойств подложка должна
быть достаточно шероховата. Помимо механического соединения
напыленного покрытия с матрицей возможны и другие виды соедине-
ний, например сплавление напыляемого материала с материалом
детали, образование химических соединений и т.д.
Увеличение прочности механического сцепления связано с увели-
чением площади поверхности матрицы и ее активности, что также
важно и для других видов соединения. Поэтому создание увеличен-
ной шероховатости на поверхности детали имеет большое значение
в процессе напыления.
5.4.	ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Одним из наиболее широко используемых в промышлен-
ности методов технологического обеспечения оптимальных значений
параметров поверхностного слоя деталей машин является химико-
термическая обработка (ХТО). Под ХТО будем понимать совокуп-
ность способов химического и термического воздействия окружающей
среды (газ, жидкость, твердофазные смеси) на поверхность материа-
ла, позволяющих целенаправленно зафиксировать качественно новое
физико-химическое состояние модифицированного поверхностного
слоя детали. Более подробно остановимся только на анализе процес-
сов диффузионного насыщения, так как они чаще всего используются
в промышленности.
Азотирование — это поверхностное насыщение металлов и спла-
вов азотом посредством диффузии из. внешней среды. Азотирование
стальных изделий чаще всего проводят в ретортных (муфельных)
печах в потоке аммиака с добавлением молекулярного азота при
500...700 °C. Продолжительность насыщения 20...80 ч, что обеспечи-
вает глубину модифицированного слоя 0,1...0,5 мм и твердость 650...
1100 HV (содержание азота в поверхностном слое достигает 10...
12 %). При температурах выше 400 °C аммиак частично диссоцииру-
124
ет, а образовавшийся азот, адсорбированный на поверхности, диф-
фундирует в матрицу, образуя с ее компонентами азотистые фазы
(а = азотистый феррит, у == азотистый аустенит), а также нитриды
стехиометрического состава, Fe^N и FejN.
Выбор значений управляющих параметров (температуры, продо-
лжительности, состава газовой фазы и т.д.) определяется требования-
ми к глубине и твердости поверхностного опоя. Например, для дости-
жения значительного упрочнения стали при небольшой толщине
диффузионного слоя рекомендуется поддерживать низкие температу-
ры, для формирования толстых модифицированных слоев с относи-
тельно невысокой твердостью — более высокие температуры. Если же
необходимо получить высокие значения твердости и обеспечить
большие глубины проникновения атомов азота, то обработку прово-
дят в двухступенчатом режиме. Азотирование применяют не только
для упрочнения, но и для повышения износостойкости, сопротивле-
ния усталости и коррозионной стойкости деталей, работающих в воде
н других агрессивных средах.
Диффузионному насыщению азотом чаще всего подвергаются
детали, изготовляемые из конструкционных сталей, содержащих
нитридообразующие элементы (Сг, Al, Mo, Ti, W, V, Nb, Мп), а
также из обычных легированных сталей (хромоникелевые коррозион-
но-стойкие и жаропрочные стали), которые применяют для изготов-
ления гильз цилиндров, шестерен, клапанов порщневых двигателей,
коленчатых валов, деталей бурового инструмента, насосных штанг,
пружин И Т.Д.
Сопротивление износу азотированной стали значительно выше,
чем у цементированной и закаленной. Однако тонкий азотированный
слой в отличие от цементированного может выдерживать меньшие
нагрузки.
Азотирование коррозионно-стойких сталей резко повышает изно-
состойкость деталей, работающих во влажной среде и при повышен-
ных температурах (около 500 °C). В этом случае коэффициент
трения при работе без смазочного материала снижается с 0,7 до 0,1.
Твердость азотированного слоя деталей, испытывающих знакопе-
ременные нагрузки, задается в пределах (6,5...7,5)' 102//Т, а для
деталей, работающих на трение и износ (без силовой нагрузки) —
9- 1О2...1,1* 103 WV. Сопротивление коррозии азотированной корро-
зионно-стойкой стали понижается вследствие обеднения твердого
раствора хромом, что необходимо учитывать на стадии изготовления
деталей, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах.
Азотирование Ti и сплавов на его основе чаще всего проводят в
атмосфере азота высокой чистоты, причем оптимальным считается
следующий режим: Т = 950 °C, v = 20...30 см3/мин, а ~ 1, т = 25...
125
30 ч. Протекание процесса насыщения в оптимальном режиме обес-
печивает образование диффузионных слоев толщиной до 100 мкм,
при этом твердость металла возрастает до (7,8...8,5)- 102ЯИ Индук-
ционный нагрев ТВЧ, а также проведение азотирования в плазме
тлеющего разряда значительно повышают скорость образования
модифицированного слоя, в десятки раз сокращают продолжитель-
ность процесса.
Ниобий азотируют при температуре 1100 °C (т == 2...3 ч), тантал
— при 1100... 1200 °C. Достигаемая в этом случае толщина диффузи-
онного слоя (50...70 мкм) обеспечивает значительное увеличение
твердости (1,15...1,25)- 102 НУ для Nb и (1,6...2,25)  102 HV
Та. Хром, молибден и вольфрам подвергаются азотированию при-
болев низких температурах (900... 1100 °C).
Цементация является одним из основных видов ХТО и представ-
ляет собой поверхностное насыщение металлов и сплавов углеродом
посредством диффузионных процессов в твердых, жидких и газовых
средах. Наиболее эффективной считается газовая цементация.
Для газовой цементации используют различные газы, содержа-
щие углерод: окись углерода, предельные углеводороды (CN2r+2) —
метан, этан, пропан, бутан, природный газ и др. Газ приготовляется
отдельно. Газовая цементация малоуглеродистых сталей (содержащих
менее 0,2 % С) проводится при температурах 920...950 °C, при. этом
оптимальная концентрация углерода в модифицированном слое
толщиной 0,5...2 мм равна 0,8...0,9 % (но не более 1,2 %). Так как
посредством диффузионного насыщения удается только зафиксиро-
вать необходимый концентрационный профиль, то для получения
высокой твердости и износоустойчивости поверхностного слоя при
относительно вязкой сердцевине детали после цементации подверга-
ют закалке (850...900 °C) и низкому отпуску (180...200 °C). В резуль-
тате такой термообработки цементируемый слой приобретает струк-
туру высокоуглеродистого мартенсита или мартенсита с карбидными
включениями и небольшим количеством остаточного аустенита.
Поверхностный слой после трехступенчатой ХТО имеет твердость
HRC 58...62, а матрица HRC 25...35.
Цементированные детали из легированных сталей после закалки
рекомендуется обрабатывать холодом (—40..,—70 °C) в течение 2 ч с
последующим низким отпуском, в результате возрастает и износоус-
тойчивость модифицированного слоя, стабилизируются размеры
деталей. Предварительная холодная пластическая деформация интен-
сифицирует диффузионные процессы и позволяет достигнуть более
высоких значений концентрации С в диффузионной зоне. Макси-
мальный эффект упрочнения соответствует степени деформации,
равной 25 %.
126
Цементации подвергают контактные рабочие поверхности шесте-
рен, валов, пальцев поршней, клапанов, кулачковых шайб и других
деталей. Степень-упрочнения зависит от марки стали, содержания
углерода в цементированном слое, глубины цементированного слоя,
прочности, вязкости и твердости матрицы.
Для обеспечения наибольшей эффективности упрочнения деталей,
работающих в условиях статических и динамических нагрузок,
содержание углерода в поверхностном слое рекомендуется поддержи-
вать на уровне 0,8... 1,05 %. Глубину цементированного слоя для
сталей, содержащих 0,27..,0,34 % С, задают в пределах 0,5...0,7 мм,
а для сталей с концентрациями 0,17...0,24 % С — 1,0... 1,25 мм
соответственно. Сопротивление усталости деталей без концентраторов
напряжений прн малой глубине диффузионного насыщения зависит
от прочности сердцевины деталей, а при большой глубине определя-
ется прочностью цементированного слоя. В последнем случае реко-
мендуется толщину упрочненной зоны h доводить примерно до 0,2 R,
где R — радиус детали. При меньших значениях А сопротивление
усталости повышается с увеличением прочности сердцевины. Для
деталей с концентраторами напряжений глубина цементированного
слоя должна быть очень маленькой: А = (0,01 ...0,02) R (чем больше
коэффициент концентрации напряжений, тем меньше оптимальная
глубина упрочнения).
Жидкая цементация представляет собой процесс диффузионного
насыщения поверхностного слоя материала углеродом из жидкой
среды и осуществляется в расплаве солей с добавкой карбида кремния
(например, 75...85 % Na2CO3, 10... 15 % NaCl, 5...10 % SiC). Карбид
кремния реагирует с содой с образованием свободного углерода,
который диффундирует в материал. Процесс насыщения проводится
при 815...850 °C (в зависимости от состава стали) и применяется в
основном для упрочнения сталей на малые глубины (до 200 мкм).
Под твердой цементацией понимают диффузионное насыщение
поверхностного слоя материала углеродом из твердой среды. Такой
процесс можно осуществить посредством высокотемпературного
вакуумного отжига заготовок, находящихся в контейнере вместе с
порошком углерода. Однако скорость диффузионных процессов в
таких системах на несколько порядков ниже, чем при газовой и
жидкой цементации. К твердой цементации относят также процесс
диффузионного насыщения, реализуемый в контейнере при совмес-
тной загрузке обрабатываемых деталей и карбюризатора (вещества,
содержащего углерод и активатор — углекислые соли ВаСО3, Na2CO3,
К2СО3). Контейнер помещают в печь, нагретую до 950 °C. Насыще-
ние проводят в вакууме или на воздухе (в последнем случае контей-
нер изолируют от внешней среды с помощью огнеупорной обмазки).
127
В результате разложения активатора выделяется СО2, который всту-
пает в реакцию с углеродом:
(СО2) + (С) ~2(СО).
(5.3)
СО диффундирует к насыщаемой поверхности, адсорбируется на ней
и вследствие смещения термодинамического равновесия (активности
углерода в газовой и твердых фазах отличаются) реакция (5.3)
начинает протекать в обратную сторону. Описанный выше процесс
представляет собой диффузионное насыщение материала углеродом
из газовой фазы и является разновидностью газовой, а не твердой
цементации. По физико-химическим особенностям газовая цемента-
ция с использованием карбюризаторов может быть отнесена к одному
из способов химического осаждения из газовой фазы, например
способу ХТР.
Цианированием называется одновременное насыщение поверхнос-
тного слоя стальных деталей азотом и углеродом. По аналогии.с
цементацией цианиров'ание подразделяют на жидкое и газовое.
Газовое цианирование называют нитроцементацией.
Жидкое цианирование, обеспечивающее высокую
производительность, наиболее часто используют для обработки
сталей. Его проводят в расплавленных цианистых солях, являющихся
поставками активных атомов углерода и азота, например Na(CN)
или Ca(CN)2-
Нитроцементация осуществляется следующим образом: в контей-
нер загружается карбюризатор, в состав которого входят цианистые
и углекислые соли (например, 30...40 % K4Fe(CN)6, 10 % Na2CO3
и древесный уголь), которые прн нагревании разлагаются с выделе-
нием СО2 и азота. Процесс насыщения может лимитироваться кине-
тикой химических реакций, доставкой СО3 и азота к поверхности
детали илн диффузией С и N в матрицу, поэтому производитель-
ность такого способа невысока.
Газовую нитроцементацию деталей производят
в среде науглероживающих и азотирующих газов (например, аммиак
2...6 % с пропаном или светильным газом).
Основными характеристиками физико-химического состояния
упрочненного при цианировании поверхностного слоя являются твер-
дость, толщина, а также зафиксированные значения концентраций
углерода и азота. На эти характеристики особое влияние оказывает
температура процесса (при повышении температуры содержание
углерода в поверхностном слое растет, а при ее снижении увеличива-
ется концентрация азота). Так как цианирование является по сути
дела суперпозицией цементации и азотирования, то можно сказать,
128
что при высокой температуре процесс больше приближается к цемен-
тации, а при низкой — к азотированию, поэтому цианирование
разделяют на высокотемпературное (800...950 °C) и низкотемпера-
турное (500...600 °C). Последнему подвергают режущий инструмент
из быстрорежущей стали (фрезы, метчики, сверла, зенкеры), а также
углеродистые стали. Сущность процесса цианирования углеродистых
сталей состоит в насыщении стали азотом и углеродом, которое
осуществляется в цианистых солях (40 % KCN + 60 % NaCN) при
пропускании сухого воздуха. В результате такой обработки, которая
реализуется при 570 °C в течение 0j5—3 ч, на поверхности детали
формируется тонкий (10...15 мкм) карбонитридный слой Fe3(CN),
менее хрупкий, чем чистые карбиды и нитриды (Fe3C и Fe3N) и в то
же время обладающий хорошим сопротивлением износу. Между этим
слоем и матрицей образуется подслой азотистого твердого .феррита
(при легированных сталях твердость достигает 600...1000 HV) толщи-
ной 200...500 мкм.
Высокотемпературное цианирование применяют для обработки
деталей из простых н легированных средне- и низкоуглеродистых
сталей. Насыщение обычно проводят в расплавленных солях следую-
щих составов: 40 % NaCN, 40 % NaCl, 20 % Na2CO3 (температура
расплава 820...850 °C) или 6 % NaCN, 80 % BaCl, 14 % NaCl
(900...950 °C). Увеличение содержания цианистых солей способствует
повышению концентрации С н N в поверхностном слое.
Толщина модифицированной зоны h зависит от состава расплава,
температуры и продолжительности процесса. Средняя скорость
высокотемпературной нитроцементации составляет 80... 100 мкм/ч.
Для конструкционных сталей h - 15...500 мкм, а твердость превыша-
ет HRC 58 (для быстрорежущих сталей — 10...60 мкм и HRC 60...72
соответственно). Планированный слой по сравнению с цементирован-
ным обладает большей твердостью и более высоким сопротивлением
износу и коррозии. Цианирование в ряде случаев повышает также
сопротивление усталости. Более низкая температура насыщения и
меньшая продолжительность не приводят к росту зерен, как это
наблюдается при цементации, поэтому после цианирования заготовки
подвергают закалке в масле или в воде и низкому отпуску при
150... 170 °C в течение 3 ч. Для повышения износостойкости и кон-
тактной прочности в ряде случаев целесообразно после цементации
или цианирования дополнительно провести деформационное упрочне-
ние роликами, шариками или дробеструйной обработкой.
Алитирование — процесс поверхностного насыщения материала
алюминием посредством его диффузии из внешней среды. Применяют
несколько способов алитирования, которые можно классифицировать
следующим образом: 1) насыщение из расплавов солей; 2) электрофо-
5 Зак. 1398
129
ретическое нанесение насыщающих составов; 3) насыщение из паро-
вой фазы в вакууме; 4) насыщение нз газовой* фазы.
Для реализации процесса насыщения из расплавов солей исполь-
зуются два способа нанесения покрытий: (химическое осаждение
металлов из растворов и электрохимический способ. В первом способе
при обработке жаропрочных никелевых сплавов применяют расплав
тройной эвтектики (50 % ВаС12» 36 % КС1 и 14.% NaCD, в который
засыпают порошки алюминия и железа. Насыщающий расплав
находится в металлической ванне, снабженной мешалкой, которая
вращается с частотой 100... 150 мин-1 (этим обеспечивается равно-
мерное распределение порошковой смеси в расплаве). Процесс насы-
щения проводится в течение 2...6 ч при (570...630 °C), что позволяет
достигать толщины модифицированного слоя 30...40 мкм с концентра-
цией алюминия во внешней зоне 62...69 %.
Электролизный вариант диффузионного
насыщения реализуется в электролитах системы ВаС12—
AICI3—NaF, загружаемых в графитовый тигель, который одновремен-
но является анодом. Для питания расплава используют алюмомедный
сплав. Катодом является обрабатываемая деталь, которая погружает-
ся в расплав солей при 750...850 °C и выдерживается в нем 10...
150 мин при плотности тока 2- 10""3...1* 10~г А/см2. За это время
на поверхности детали формируется покрытие с шероховатостью Ra =
= 1,6... 1,25 мкм и концентрацией алюминия во внешней зоне, равной
37...42 %.
Процесс насыщения заключается в следующем: 1) деталь погружа-
ют в специальную суспензию, содержащую алюминиевый порошок;
2) при пропускании через суспензию постоянного электрического
тока на детали, являющейся анодом, происходит осаждение алюми-
ния и других элементов; 3) изменение электросопротивления в
результате формирования модифицированного слоя приводит к
выравниванию толщины осадка на различных участках поверхности;
4) после получения покрытия толщиной от 10 мкм до 3 мм деталь
подвергают диффузионному отжигу при 1040... 1100 °C. Высокая
скорость и равномерность осаждения, точность регулирования толщи-
ны диффузионного слоя, возможность формирования многокомпонен-
тных систем на основе алюминия способствуют дальнейшему разви-
тию этого перспективного способа.
Пар в отличие от газа характеризует вещество, находящееся в состоянии насы-
щения при температуре ниже критической.
130
Насыщение из паровой фазы основано на прин-
ципах физического метода получения покрытий и может быть реали-
зовано при достаточно высоких температурах обрабатываемой детали
(Т > 1000 °C) в вакууме. Различают вакуумное насыщение А1 и Сг
(хромоалитирование) из гранул сплава АР-Сг (бесконтактный способ)
и из смеси порошков А1 и Сг (контактный способ). Поскольку темпе-
ратура при насыщении из паровой фазы высока (1100... 1220 °C),
термический цикл процесса совмещают с закалкой жаропрочного
сплава (если этого сделать не удается, проводят специальную термо-
обработку). При насыщении из паровой фазы в течение 1...4 ч удает-
ся сформировать диффузионный слой толщиной 10... 100 мкм при
концентрациях элементов во внешней зоне, равных СА1 в 18... 25 %
и Ср. = 8...10 %.
Лопатки турбин ГТД из жаропрочных никелевых сплавов (ЖС6К,
ЖСЗЛС, ВЖЛ-12У и др.) алитируют нанесением суспензии на
основе мелкодисперсного порошка алюминия марки АСД-4 с органи-
ческой связкой (раствор коллоксилина 350 мл и алюминиевый поро-
шок 225 г) на чистую обезжиренную поверхность с последующим
диффузионным отжигом в среде аргона при температуре 950 °C,
время выдержки 2...6 ч.
Алитирование окраской или намазкой алюминия с последующим
отжигом, обладающее технологическими преимуществами, целесооб-
разно применять при больших масштабах производства и особенно
для местного алитирования крупногабаритных деталей с большой
поверхностью.
Алитирование металлизацией с после-
дующим диффузионным отжигом. На предвари-
тельно очищенную поверхность детали металлизацией наносят слой
алюминия 0,7... 1 мм, затем отжигают при температуре 900...950 °C
в течение 2...4 ч. Толщина слоя насыщения 0,2...0,4 мм.
Посредством химико-термической обработки, в частности с по-
мощью диффузионного насыщения, успешно осуществляют борирова-
ние, силицирование, титанирование, хромирование поверхностных
слоев материалов, что позволяет качественно изменять эксплуатаци-
онные свойства деталей машин. Модифицированные в результате
ХТО поверхностные слои называют диффузионными покрытиями.
5.5.	ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА
Интенсивное развитие лазерной технологии обусловлено
широкими возможностями обработки металлов с помощью пучков
лазерного излучения.
5*
131
В зависимости от агрегатного состояния активной среды различают
твердотельные и газовые лазеры. Лазеры подразделяют также иа
импульсные и непрерывного действия. Для технологических целей
важны следующие параметры лазерного излучения: монохроматич-
ность и когерентность; интенсивность, измеряемая плотностью тока
в непрерывном режиме g или энергией Е импульса в импульсном
режиме; длина волны; угловая расходимость (обычно 0,01...0,1 °);
время воздействия на металл. Значение т в импульсном режиме —
порядка 10—9... 10 с, в непрерывном режиме т »	где &п ~~
диаметр пучка на образце; vCK — скорость сканирования пучка по
образцу.
В зависимости от параметров g и т лазерную обработку (ЛО)
используют для различных целей. Ниже рассмотрим применение
лазеров для обработки поверхностного слоя металлических материа-
лов.
Взаимодействие лазерного излучения с поверхностным сдоем
металла сводится прежде всего к его разогреву вплоть до расплавле-
ния и испарения. Но по сравнению с традиционными методами
термической и химико-термической обработок лазерная обработка
имеет ряд преимуществ, а именно: возможность локальной обработки
заданных участков поверхности детали и достижение очень высоких
скоростей нагрева и охлаждения (примерно 104 К/с и выше). Это
позволяет получать при затвердевании металла различные метаста-
бильные структуры, включая и аморфную.
ЛО без оплавления целесообразно применять для изменения СФС
поверхностного слоя металла, в котором протекают фазовые превра-
щения в твердом состоянии. Такую обработку в основном используют
для упрочнения поверхностного слоя. Упрочнение достигается в
результате формирования структуры с высокой концентрацией
дефектов кристаллического строения (например, мартенсита в
сталях).
Лазерная закалка технически чистого железа и углеродистых
сталей по сравнению с обычной позволяет получить более твердый
поверхностный слой и, как следствие, повысить износостойкость
материала. Это обусловлено более высокой скоростью охлаждения
при ЛО, чем при обычной закалке. ЛО углеродистых сталей повыша-
ет их сопротивление усталости (на 70...80 % по Сравнению с обычной
закалкой), однако ударная вязкость при этом снижается, особенно у
высокоуглеродистых сталей.
Глубина термоупрочненного при ЛО слоя обычно имеет порядок
102... 103 мкм. В закаленных мартенситных сталях под упрочненным
слоем располагается разупрочненный. Поскольку при ЛО максималь-
ная температура нагрева наружного слоя намного выше температуры
132
внутреннего слоя, то упрочнение наружного слоя есть результат
закалки, а разупрочнение внутреннего слоя является следствием
отпуска стали.
ЛО без оплавления не изменяет шероховатости поверхности и
практически не меняет распределения легирующих компонентов в
поверхностном сдое. Большие скорости нагрева и охлаждения приво-
дят к значительным термическим напряжениям в поверхностном
слое, поэтому в металле после ЛО наблюдаются высокие макронапря-
жения.
ЛО с оплавлением приводит к более значительным изменениям
физико-химического состояния поверхностного слоя металла. На
поверхности материала возникает область расплава, глубина которой
зависит от интенсивности и длительности воздействия лазером и
может достигать величины порядка 103 мкм. Под зоной расплава
находится зона термического влияния, в которой металл во время ЛО
находится в твердом состоянии.
Если металлу не свойственны фазовые превращения в твердом
состоянии, то после ЛО с оплавлением обычно наблюдаются измель-
чение зерен и рост плотности дефектов решетки, что обусловлено
соответственно высокой скоростью охлаждения и действием больших
термических напряжений при ЛО. После Л О монокристаллических
образцов на их поверхности формируется поликристаллический слой.
В ряде случаев высокие скорости охлаждения при ЛО с оплавле-
нием позволяют получить материалы с аморфной структурой в
поверхностном слое (некоторые сплавы на основе Fe, AJ, Си). Л О
позволила аморфизировать поверхностный слой деталей из жаропроч-
ных сплавов на основе Fe и Со, резко повысив их коррозионную
стойкость. Однако большинство сплавов с помощью ЛО пока еще не
удается перевести в аморфное состояние, поэтому рекомендуется
первоначально на поверхность детали наносить покрытия, которые
легко аморфизируются; а затем уже проводить ЛО.
Оплавление тонкого поверхностного слоя при ЛО обеспечивает
возможность поверхностного легирования материалов через жидкую
фазу. При этом легирующий элемент наносится на поверхность
заготовки в виде порошка, пасты и других материалов или подается
в зону обработки в газообразном состоянии. Затем проводится оплав-
ление, при котором поверхностный слой металла насыщается легиру-
ющим элементом. Скорость массопереноса легирующего элемента в
жидкой фазе велика, поэтому легирование металла наблюдается
практически на всю глубину проплава. Легирование железа и сталей
производят углеродом, никелем, титаном, хромом, молибденом и
другими элементами.
133
Проведено лазерное легирование титановых сплавов молибденом
и нихромом. Известны работы по газовому азотированию сталей и
титановых сплавов путем ЛО, при этом в зону обработки подавались
в газообразном состоянии азот и аммиак.
Лазерное легирование позволяет во многих случаях повысить
твердость поверхностного слоя металла и его коррозионную стой-
кость, что обусловлено изменением химического состава и структур-
но-фазового состояния материала в поверхностном слое.
ЛО присущи и некоторые недостатки. Так, например, при ЛО с
оплавлением обычно повышается шероховатость поверхности. Высо-
кие термические напряжения могут привести к деформации детали.
Кроме того, температура поверхностного слоя металла в центре
лазерного пучка значительно выше, чем на периферии (при ЛО
стали в центре зоны обработки температура нагрева может быть
выше температуры Ас , на периферии — ниже), поэтому в централь-
ной зоне при ЛО произойдет закалка, а на периферии — лишь отпуск
стали. Вследствие неоднородности распределения температуры при
сканировании пучка по поверхности детали также будет наблюдаться
неоднородность структурно-фазового состояния по поверхности и, как
следствие, неравномерность упрочнения и неравномерность распреде-
ления остаточных напряжений. Поэтому при ЛО важной проблемой
является выбор параметров обработки. Это зависит от цели обработ-
ки, физико-химического состояния материала, его теплофизических
характеристик. Внедрение Л О на промышленных предприятиях (в
основном пока для повышения стойкости режущего и штампового
инструмента) дает значительный экономический эффект.
5.6.	ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ
Ионное легирование представляет собой процесс внедре-
ния (имплантации) легирующего элемента в поверхностный слой
детали в результате ее обработки высокоэнергетическими ионами.
Ионное легирование широко применяют в промышленности для
легирования деталей из полупроводниковых материалов. В настоящее
время ведутся исследования по разработке и внедрению технологии
ионного легирования деталей из металлов, керамики, пластмасс в
машиностроении.
В литературе ионное легирование называют также ионной Имплантацией.
134
Взаимодействие имплантируемого иона* с частицами твердого
вещества (электронами, ионами, атомами) приводит к постепенному
снижению его кинетической энергии, т.е. к торможению. Пробег иона
(пройденный путь) R в твердом теле зависит от его начальной энер-
гии Е и массы, а также от характеристик материала обрабатываемой
детали.
Взаимодействие имплантируемых ионов с частицами твердого тела
носит статистический характер, поэтому распределение легирующего
элемента во глубине описывается непрерывной функцией Р (Е, R),
ще Р — плотность вероятности того, что ион с энергией Е остановит-
ся после прохождения пути R. Во многих случаях средний пробег
ионов в материалах с аморфной или поликрисгаллической мелкозер-
нистой структурой можно оценить по формуле
13£ 1 + м2/м,
>—
(5.4)
ще Мр zl — массовое число н атомный номер иона; М2 и р — массо-
вое число атомов и плотность материала мишени; R — пробег, нм.
Для практических целей важно определить величину проекции
пробега на направление первоначального движения иона (проекцион-
ный пробег Rp). Отношение R и jRp описывается уравнением
А =1 .5^,
Яр	Mt
(5.5)
гце Ъ — параметр, зависящий от Е и R (в первом приближении можно
считать b = 1/3). Значение Rp обычно невелико. При Е ~ 1 МэВ
значение Rp = 1 мкм.
Распределение нонов по глубине также характеризуется средним
квадратическим разбросом пробега Д/?р » kRp, где к •= const.
В первом приближении распределение внедренных в твердое тело
ионов по глубине (концентрационный профиль) можно описать
функцией Гаусса
Использование термина ”ион” в данном случае достаточно условно, поскольку
проникающие в твердое тело частицы быстро становятся нейтральными. 
135
Rp	R/лох h
Рис. 5.12. Распределение концентрации имплан-
тированного элемента:
1 — для аморфного и поликристаллического
материала; 2 — для монокристалла
77(A) =-----£—ехр
/2тгД/(р
- у2
2ДЙ/
(5.6)
где D — доза облучения, т.е. число имплантированных ионов на
единицу площади поверхности. Максимум распределения (5.6;
Л'тах ' NGRp) =	£—	(5.7)
/2пДЛр
соответствует значению Rp, а значение N(h) снижается в 10 раз по
сравнению с на глубинах h = Лр±Д/?р. При выводе выражений
(5.4)... (5.6) не учитывалась диффузия атомов, а также распыление
материала мишени при облучении.
Распределение концентрации имплантированного элемента зави-
сит прежде всего от структуры материала обрабатываемой детали
(аморфной, поликристаллической, монокристаллической) (рис. 5.12).
В решетке кристалла существуют такие направления, вдоль которых
атомы отсутствуют, т.е. наблюдаются ’’каналы”, ограниченные
параллельными цепочками атомов. Рассеяние и торможение ионов
при движении вдоль этих каналов незначительно, поэтому импланти-
руемые элементы проникают в твердое тело на глубину Rmax, боль-
шую чем 1?р (см. рис. 5.12). Этот процесс называется каналированием
ионов. Максимальный пробег ^тах примерно на порядок превышает
значения 2?р. Для реализации эффекта каналирования угол между
направлением падения ионов и осью канала должен быть меньше
критического Т . Обычно значения Ткр лежат в пределах З...6°.
Отметим, что.прсюег ионов в монокристаллах снижается с повышени-
ем температуры и дозы облучения.
Ионное легирование приводит к увеличению концентрации дефек-
тов (межузельных атомов и др.) в поверхностном слое облучаемого
материала. Возникающие при этом дефекты решетки принято назы-
вать радиационными. В процессе ионного легирования в металле
может протекать радиационно-стимулируемая диффузия, основной
136
причиной которой является увеличение концентрации вакансий nv.
Явление ускоренной диффузии при ИЛ и последующем низкотемпе-
ратурном отжиге можно использовать для увеличения толщины
легированного слоя.
При больных дозах облучения наблюдается аморфизация материа-
ла в поверхностном слое заготовки, что обусловлено высокой концен-
трацией радиационных дефектов.
Ионное легирование сопровождается распылением материала
мишени. Это приводит к изменению распределения имплантирован-
ного элемента по глубине по сравнению с концентрационным профи-
лем, описываемым выражением (5.6). С ростом дозы облучения
максимум концентрации смещается в сторону поверхности детали.
Распыление вызывает изменение топографии (рельефа) поверхности
обрабатываемой детали в основном из-за стравливания вершин
микровыступов. В ряде случаев после ионного легирования наблюда-
ется заметное снижение шероховатости.
Ионная обработка, так же как и облучение электронами, приводит
к нагреву металла. Температура нагрева зависит от плотности ионно-
го тока, энергии ионов и теплофизических характеристик материала
детали. Нагрев поверхностного слоя детали можно использовать для
увеличения толщины легированного слоя.
Ионно-лучЬвая обработка в ряде случаев сопровождается ’’распу-
ханием” материала вследствие образования вакансионных микропор
или газовых пузырьков. Последнее наблюдается при имплантации
ионов Не, Аг, Хе и других газов.
Преимущество ионного легирования состоит в том, что процесс
дает возможность получать метастабильные фазы и пересыщенные
твердые растворы, которые не удается получить при других методах
обработки поверхностного слоя детали.
Ионно-лучевая установка для ионного легирования (рис. 5.13)
содержит источник ионов 5, систему вытягивания 6, включающую
магнит 1, анод 2 и катод-нить накала 4, сепаратор 7, линейный
ускоритель 10, систему электростатического отклонения ионного
пучка 9 и приемную камеру 8. Ионное легирование проводят в
высоком вакууме.
Источники ионов отличаются режимом работы (стационарным или
импульсным), состоянием, (газообразным, жидким или твердым)
ионизируемого рабочего вещества, плотностью тока и энергией ионов
на выходе из источника. В установке предусмотрен ввод в камеру
источника ионов 5 с помошью вентиля 3 газообразного рабочего
вещества. Испускаемые нитью накала 4 электроны, взаимодействуя
с атомами газа, ионизируют их. Вытягиваемый из источника 5 поток
ионов обычно неоднороден по составу. Магнитный масс-сепаратор 7
137
Рис. 5-13. Схема установки для
ионного легирования
позволяет выделить ионы с
определенной массой и
зарядом, после чего ’’очи-
щенный” пучок ускоряется
до заданной энергии и фо-
кусируется. С помощью
системы 9 можно осущес-
твлять сканирование пучка
ионов по поверхности обра-
батываемой детали, распо-
ложенной в приемной каме-
ре 8.
Достоинствами ионно-
лучевой обработки являют-
ся: 1) универсальность (в
зависимости от величины
энергии ионов можно про-
водить легирование металла, очистку его поверхности от загрязне-
ний, распыление тонких слоев основного материала, осаждение
покрытий из ионных пучков); 2) возможность легирования любыми
химическими элементами; 3) локальность обработки (с использовани-
ем защитных масок или узких ионных пучков); 4) высокая химичес-
кая чистота; 5) возможность полной автоматизации.
Ионное легирование позволяет улучшить следующие эксплуатаци-
онные свойства: сопротивление химической и электрохимической
коррозии, эрозии, усталостную прочность, износостойкость, радиаци-
онную стойкость.
Ионным легированием можно улучшить жаростойкость титана,
никеля, меди и коррозионно-стойких сталей. Ионное легирование
является перспективным способом обработки деталей, позволяющим
повышать их эксплуатационные свойства.
5.7.	ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ
Опыт эксплуатации различных машин показал, что
работоспособность детали, узла и машины в целом существенно
зависит от поверхностного слоя детали.
В зависимости от условий эксплуатации (нагрузки, температуры
нагрева, среды и продолжительности воздействия) задаются различ-
ные требования к поверхностному слою деталей (например, шерохо-
138
ватость поверхности независимо от температуры нагрева и продо-
лжительности работы лопатки газовой турбины Ra 0,63 мкм; на-
правление рисок — вдоль пера; отсутствие глубоких рисок, особенно
в зоне максимальных напряжений; минимальные деформационные
изменения, задаваемые такими параметрами, как степень наклепа,
размеры блоков, микродеформация и др.; высокая жаропрочность и
жаростойкость поверхностного слоя пера лопатки).
Выбор конкретных значений тех или иных параметров поверхнос-
тного слоя детали для заданных условий эксплуатации производится
обычно иа основе экспериментальных исследовании.
Для выбора параметров, характерйзующих физическое и напря-
женное состояния поверхностного слоя, пока имеются лишь отдель-
ные рекомендации для конкретных деталей машин и рекомендации
отдельных исследований. Влияние изменений фазового и химического
составов поверхностного слоя на эксплуатационные свойства детали
пока не учитывается. Исследования в этом направлении лишь только
начинаются. Все это затрудняет назначение научно обоснованных
требований к поверхностному слою деталей машин. Одной из бли-
жайших задач в этом направлении является разработка отраслевых
рекомендаций и стандартов по нормированию параметров физико-
химического состояния поверхностного слоя деталей.
Анализ и обобщение имеющихся исследований позволяет дать
следующие рекомендации по выбору методов технологического
обеспечения заданных эксплуатационных свойств детали.
Выбор методов и режимов лезвийной, абразивной и электро-
химической обработки. По заданным условиям эксплуатации, основ-
ным эксплуатационным свойствам и параметрам поверхностного слоя
детали и взаимосвязи их с параметрами режимов различных методов
обработки и физико-химическим факторам этих методов (силовые,
тепловые, химические и др.) назначают способы и режимы обработки
поверхности детали.
Если деталь высоконагруженная, работает в условиях высоких
температур нагрева и в агрессивной среде, то деформация поверхнос-
тного слоя и его напряженность должны быть минимальными (шеро-
ховатость поверхности Ra = 0,63...0,16 мкм). Исходя из этих требова-
ний необходимо выбрать соответствующие методы и режимы обработ-
ки, а также их последовательность. Наиболее целесообразно для
таких деталей применить ЭХО с последующим механическим поли-
рованием для снятия следов растравливания по границам зерен на
поверхности детали. Деформационные изменения в поверхностном
слое при выбранной обработке будут незначительны.
Если этот технологический вариант невозможно реализовать,
обрабатывать заготовки следует обычными методами резания лезвий-
139
ным или абразивным инструментом, предусмотрев термическую
обработку окончательно готовой детали в вакууме или нейтральной
среде для снятия деформационного упрочнения поверхностного слоя
или хотя бы для снятия остаточных макронапряжений и частичного
снятия наклепа.
Для удаления наиболее деформированной части поверхностного
слоя (толщиной 0,03...0,05 мм), а также и уменьшения макронапря-
жений можно применять электрополирование. Для повышения жа-
ропрочности, жаростойкости и сопротивления коррозии целесообразно
применять соответствующие защитные покрытия.
Окончательная обработка резанием поверхностей деталей, работа-
ющих на трение и износ, должна обеспечивать прежде всего опти-
мальные значения параметров шероховатости поверхности. Для
существенного повышения твердости поверхностного слоя детали
лучше использовать термическую и химико-термическую обработку,
нанесение износостойких покрытий, ионное легирование, а ие дефор-
мационное упрочнение поверхностного слоя. Если же трущаяся пара
работает в агрессивной среде, то деформационное упрочнение повер-
хностного слоя трущихся поверхностей должно быть минимальным.
Сопротивление усталости. Выбор методов повышения сопротивле-
ния усталости зависит в основном от температуры нагрева и среды,
в которой работает деталь. При температуре нагрева до 250 °C и
наличии воздушной среды сопротивление усталости конструкционных
материалов (сталей, сплавов) можно повысить прежде всего снижени-
ем шероховатости поверхности, применением деформационного
упрочнения поверхностного слоя и химико-термической обработкой
(цементацией, азотированием, нитроцементацией и др.).
Повышения сопротивления коррозионной усталости деталей при
работе в условиях высокой температуры нагрева и агрессивной среды
можно достичь снижением шероховатости поверхности, уменьшением
деформации поверхностного слоя (степень наклепа до 2 %), нанесе-
нием -защитных покрытий ионным легированием.
Контактная вьшосливость рабочих поверхностей деталей (высокое
сопротивление образованию микротрещин, оспин, шелушению)
повышается методами обработки рабочих поверхностей, создающих
однородную структуру в поверхностном слое, а также применением
смазочных материалов со специальными покрытиями.
Износостойкость. Основными методами уменьшения износа
схватыванием при малых скоростях скольжения трушихся поверхнос-
тей, больших давлениях (превышающих предел текучести на учас-
тках фактического контакта) в условиях граничного трения и высо-
ких температур являются: подбор металлов для пар трения, несклон-
ных к взаимному схватыванию и способных к образованию устойчи-
140
I вых прочных защитных пленок вторичных структур; создание защит-
ных пленок травлением в растворах кислот и щелочей, фосфатиза-
Цией, сульфидированием, а также образованием вторичных структур
вследствие диффузии кислорода и углерода в поверхностный слой в
Процессе их пластического деформирования; повышение твердости
трущихся поверхностей закалкой, химико-термической обработкой,
нанесением износостойких покрытий, деформационным упрочнением.
Если процесс схватывания возникает и развивается при больших
скоростях скольжения» трущихся поверхностей, повышенных давлени-
ях, что обусловливает значительное увеличение температуры в
поверхностных слоях пары трения, для повышения износостойкости
рекомендуется: увеличивать теплоустойчивость металлов пар трения
легированием их редкими металлами в сочетании со специальной
термообработкой; снижать трение применением специальных смазоч-
ных материалов и различных присадок к ним (химически и физи-
чески активных веществ и т.п.); уменьшать температуру трущихся
поверхностных слоев.
Коррозионная стойкость. Выбор метода защиты поверхностного
слоя деталей от .окисления и коррозионного разрушения зависит от
материала детали и условий эксплуатации (температуры нагрева,
механического нагружения и продолжительности их воздействия, а
также от окружающей среды).
Для деталей из коррозионно-стойких конструкционных материа-
лов, работающих без защитных покрытий в воздушной или агрессив-
ной среде, независимо от температуры нагрева необходимо обеспечи-
вать исходную шероховатость поверхности Ra ~ 0,63—0,16 мкм и
степень деформации поверхностного слоя тем меньшую, чем агрес-
сивнее среда и выше температура нагрева.
Образование на поверхности детали защитных покрытий — наибо-
лее эффективное направление повышения сопротивления коррозии.
Защитные покрытия изолируют поверхность материала детали от
окружающей среды, препятствуют проникновению к ней агрессивной
среды и тем самым предохраняют материал от коррозии и раз-
рушения.
Изучение возможностей технологических методов обеспечения
оптимальных параметров поверхностного слоя деталей показывает,
что в зависимости от используемых методов обработки можно изго-
товлять детали машин с требуемыми физико-химическими свойства-
ми поверхностного слоя: прочностью, твердостью, пластичностью,
значением и характером распределения остаточных напряжений,
износостойкостью, сопротивлением коррозии, эрозии, кавитации
и др.
141
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Какие методы и оборудование применяются для деформационного упрочнения
поверхностного слоя детали?	у
2.	Для чего применяют термическую и термомеханическую обработку поверхнос-
тного слоя деталей?
3.	Каковы основные методы получения защитных покрытий?
4.	Назовите преимущества ионной очистки поверхности перед нанесением защит-
ных покрытий?
5.	Какие виды химико-термической обработки используются в машиностроении?
6.	Какие технологические возможности у ионного легирования деталей?
ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ
ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ ИЗДЕЛИЙ
6.1.	ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Структура, содержание и технико-экономические показа-
тели технологического процесса в значительной степени зависят от
технологичности конструкции машины и ее деталей. Технологич-
ность конструкции — совокупность свойств конструкции, обеспечи-
вающих ее высокие эксплуатационные характеристики при наимень-
шей трудоемкости и стоимости изготовления, а также возможность
применения наиболее прогрессивных методов и средств производства.
Термины, определения и основные требования к технологичности
конструкции изделия, сборочных единиц и деталей регламентированы
ГОСТ 14201—83; ГОСТ 14.205—83, в которых дается общий подход
к решению проблемы технологичности и методы оценки ее примени-
тельно к изделиям общего машиностроения. Однако в авиационном
двигателестроении проблема технологичности должна также решаться
с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей совре-
менных ДЛА и гарантии их высокой надежности. Современные
двигатели отличаются сложностью и многообразием конструктивных
форм деталей, повышенными требованиями к точности и физико-
химическому состоянию поверхностного слоя. Большое число деталей
имеет сложный газодинамический профиль, изготавливается из
труднообрабатываемых жаропрочных и титановых сплавов. Многие
сборочные единицы представляют собой неразъемные соединения. Все
это затрудняет решение задачи повышения технологичности ДЛА.
Для снижения себестоимости изготовления деталей и повышения
эффективности технологических процессов в авиационном двигате-
лестроении требуется более широкое применение принципов взаимо-
заменяемости, нормализации и унификации, т.е. коренное улучше-
ние технологичности конструкции деталей и сборочных единиц.
142
Технологичная конструкция изделия должна обеспечивать:
i возможность применения наиболее прогрессивных методов обра-
ботки;
\ применение прогрессивных способов получения заготовок с малы-
ми припусками (отливка в кокиль, под давлением, центробежным
способом, изготовление штамповок из деформируемых сплавов
чеканкой, раскаткой, редуцированием и др.) и минимальным числом
обрабатываемых поверхностей;
возможность автоматизации обработки деталей допустимыми
техническими средствами с минимальными производственными
затратами;
достаточно хорошую обрабатываемость применяемых конструкци-
онных материалов;
устранение пригоночных и доделочных работ при сборке;
точность и шероховатость поверхностей деталей, обеспечивающих
взаимозаменяемость, требуемый класс посадок, высокую надежность
и нормальные условия эксплуатации;
унификацию и стандартизацию, нормализацию деталей, повер-
хностей и конструктивных элементов, максимальную взаимозаменяе-
мость деталей и узлов;
удобство и возможность механизации сборочных процессов,
уменьшение трудоемкости сборки.
Технологические требования к конструкции различных ДЛА
весьма разнообразны и предопределяются особенностями служебного
назначения деталей и технологическими процессами их изготовления.
Требования технологичности не являются неизменными, они меняют-
ся с развитием технологии и совершенствованием технологического
оборудования. То, что было нетехнологично при одном техническом
уровне производства, может оказаться технологичным при другом,
более высоком, уровне или то, что нетехнологично при данном
методе обработки, может быть вполне технологичным при более
прогрессивном методе обработки. Поэтому требования к технологич-
ности все время обновляются, способствуя развитию новых, более
прогрессивных технологических процессов и новых видов технологи-
ческого оборудования. Так, например, развитие порошковой метал-
лургии, автоматической сварки, плазменного напыления, ионно-
лучевой обработки и других процессов, а также применение в кон-
струкциях двигателей стеклопластиков, металлокерамики и других
композиционных материалов во -многом изменили установившиеся
требования в отношении технологичности конструкций авиационных
изделий.
143
6.2.	КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ
Наиболее общим критерием технологичности конструк
ции изделия является ее экономическая целесообразность в данны:
условиях производства, эксплуатации и ремонта. Оценка технология
ности конструкции производится с помощью системы показателей
состав которых, их оптимальные значения и предельные отклонения
определяются для однотипных изделий отраслевыми стандартами/
Уровень технологичности конструкции определяется по основном
показателям трудоемкости и себестоимости.	
Уровень технологичности конструкции по трудоемкости изго-
товления может быть определен по формуле
= ТИ/Т6м,	(6.1)
где ТИ — достигнутая или расчетная трудоемкость изделия; и —
базовый показатель трудоемкости изделия (определяемый по анало-
гичной конструкции, уже освоенной в производстве).
Уровень технологичности конструкции по технологической
себестоимости определяется как отношение достигнутой или расчет-
ной себестоимости изделия Ст к базовому показателю технологичес-
кой себестоимости изделия Cg т:
Кс = Ст/С6.т.	(6.2)
Кроме основных показателей технологичности конструкции при-
меняются еще и дополнительные показатели, позволяющие более
полно оценить технологичность проектируемого изделия. Например,
очень важна оценка технологичности конструкции по признаку
стандартизации и унификации сборочных единиц, деталей и кон-
структивных элементов, а также по коэффициенту преемственности.
Коэффициент унификации изделия определяется по формуле
Ку = Еу - Dy/(E + D),	(6.3)
где Еу — число унифицированных сборочных единиц в изделии; Dy
— число унифицированных деталей, являющихся составными частями
изделия и не вошедших в Еу; Е - число сборочных единиц в изде-
лии; D — число деталей, являющихся составными частями изделия.
Коэффициент унификации сборочных единиц определяется как
отношение унифицированных сборочных единиц изделия к общему
числу сборочных единиц в изделии:
144
\	Ку.с = Е/Е-	(6-4)
\ Коэффициент унификации деталей изделия определяется как
отношение унифицированных деталей к общему числу деталей в
изделии, кроме крепежных:
\	«у.» = vd-	<бЛ
Коэффициент унификации конструктивных элементов определя-
етсяшо формуле
Куз = еу,э/еэ.	<6-6>
где Q — число унифицированных типоразмеров конструктивных
элементов; Q3 — число типоразмеров конструктивных элементов в
изделии.
6.3.	ЭТАПЫ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ
Непременными условиями создания технологичной кон-
струкции изделия являются хорошие знания конструктором техноло-
гии производства и требований, определяющих технологичность
конструкции, и совместная параллельная работа конструктора и
технолога с начала зарождения конструктивной схемы изделия до его
освоения в серийном производстве. Отработка конструкции изделия
на технологичность осуществляется на всех стадиях разработки
технической документации, начиная с эскизного проекта вплоть до
разработки рабочей документации для изготовления и испытания
изделия в серийном производстве.
На стадии разработки технического задания и эскизного проекта
изделия устанавливают базовые показатели технологичности кон-
струкции, по которым сравниваются показатели технологичности на
всех этапах проектирования. Для определения базовых показателей
используют статистические данные о ранее созданных конструкциях,
имеющих сходные конструктивно-технологические признаки. Отра-
ботка конструкции на технологичность на стадии разработки эскиз-
ного и технического проектов предусматривает выбор наиболее
рациональной конструктивной схемы и компоновки сборочных еди-
ниц, выбор рациональных способов соединений, унификацию сбороч-
ных единиц и основных деталей, выбор материалов и вида заготовок,
обеспечение технологичности основных деталей и определения воз-
145
можности применения типовых технологических процессов. На
стадии разработки рабочей конструкторской документации оконча-
тельно дорабатываются все вопросы технологичности конструкции/
каждой детали и всего изделия в целом. Особое внимание обращается
на выбор технологических баз и согласование их с конструкторскими
базами, правильную простановку размеров и допусков, правильное
оформление геометрических элементов конструкции, обеспечиваю-
щих выполнение требований по технологичности при механической
обработке деталей, максимальную унификацию элементов конструк-
ции (резьб, шлицевых соединений и др.). При подготовке к серийно-
му выпуску проверяется технологичность заготовок и основных
деталей С учетом применяемой технологической оснастки и соответ-
ствие рабочих чертежей и технологических процессов изготовления,
сборки и испытания. В рабочие чертежи изделия вносятся необходи-
мые уточнения.
6.4.	ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ШТАМПОВАННЫХ ЗАГОТОВОК
Одним из важнейших показателей технологичности
конструкции является коэффициент использования материала
(КИМ), представляющий собой отношение массы обработанной
детали к массе исходной заготовки. В наиболее прогрессивных техно-
логических процессах это отношение приближается к единице и
зависит от способов получения заготовок и масштабов производства.
В авиационном двигателестроении применяются различные способы
получения заготовок с малыми припусками на механическую обра-
ботку из конструкционных сталей, нержавеющих и жаропрочных
сталей и сплавов, титановых и алюминиевых сплавов и др. Для
изготовления высоконагруженных деталей ГТД наиболее широко
применяют штампованные заготовки, изготовленные горячим
деформированием. Основные рекомендации по технологичности
конструкции деталей из штампованных заготовок сводятся к следую-
щему: они должны иметь рациональную форму и подвергаться меха-
нической обработке по возможности только по сопрягаемым повер-
хностям; иметь простую геометрическую форму с плавными перехо-
дами между сечениями. Конфигурация деталей должна быть по
возможности такой, чтобы линия разъема штампа лежала в одной
плоскости. Расположение и форма линии разъема не должны препят-
ствовать извлечению заготовки из полости штампа. Правильно
выбранная линия разъема не должна усложнять конструкции ковоч-
ного и обрезного штампов. На рис. 6.1 показаны различные варианты
линии разъема штампованных заготовок. На рис. 6.1, а, в приведены
146
Рис. 6.1. Различные варианты
линий разъема штампованных
заготовок
словия, которые затруд-
т штамповку и услож-
конструкцию штам-
. Правильное расположение линии разъема показано на рис. 6.1, б.
еталях с двусторонними выступами, ребрами или выемками
ию разъема намечают по середине боковой поверхности наиболь-
шего периметра (рис. 6,1, г). Штамповочные уклоны выбираются в
зависимости от конфигурации, габаритных размеров и материала
штампуемой заготовки. При этом для лучшего удаления отштампо-
ванной заготовки из полости штампа величина штамповочных укло-
нов внутренних поверхностей всегда должна быть больше, чем у
наружных поверхностей. Рациональная конструкция штамповки с
минимальными припусками на механическую обработку должна
обеспечивать высокий КИМ и наименьшую трудоемкость изготовле-
ния.
6.5.	ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ
Основные требования к конструкции заготовок, отливае-
мых в кокиль, состоят в следующем: толщина стенок отливки должна
быть достаточной, чтобы форма целиком заполнялась; на отливках
не допускаются резкие переходы от толстых стенок к тонким; отлив-
ка должна легко извлекаться из кокиля при минимальном числе
прямолинейных разъемов. Большинство корпусных деталей среднега-
баритных размеров (корпуса насосов, редукторе», коробок скоростей,
клапанов и других деталей агрегатов управления ГТД) отливаются
в кокилях. При этом количество отходов составляет не более 30...
35 % массы отливки. Точность размеров литой заготовки 12... 14-й
квалитет, шероховатость поверхности Ra - 20...2,5 мкм (ГОСТ
2789-73).
В серийном производстве для изготовления малогабаритных
корпусов сложной конфигурации широко применяется литье под
давлением. Корпусные детали, отлитые под давлением, обладают
хорошими механическими свойствами, не имеют пористости, раковин
и других внутренних пороков, свойственных кованым заготовкам.
Точность размеров отливок можно получить по 8...13-му квалитету
точности, а шероховатость поверхности Ra - 2,5...0,63 мкм. Такие
заготовки отличаются малой трудоемкостью механической обработки.
Литье под давлением нельзя применять для изготовления толстос-
147
S)
Рис. 6.2. Примеры оформления конструкции литых деталей:	|
а — литейные уклоны и радиусы сопряжения; б — обрабатываемые отверстия; в' —
ребра жесткости; П — правильно; Н — неправильно	j
тенных заготовок. В авиационной промышленности точность литых
заготовок регламентируется отраслевым стандартом ОСТ 1.41154—72,
которым предусмотрено семь классов — от Лт до Лт7.
Основные требования (рекомендации) по технологичности кон-
струкции литых деталей сводятся к следующему: необходимо соблю-
дать однородность поперечных сечений элементов отливки; следует
избегать неравномерной толщины стенок, резких переходов от тол-
стого сечения к тонкому; необходимо предусматривать постепенные
переходы в местах сопряжения поверхностей. Толщина стенок отлив-
ки должна быть минимальной, обеспечивающей требуемую
прочность, в противном случае предусматривать ребра жесткости.
При литье под давлением нормальная толщина стенок отливки из
алюминиевых и магниевых сплавов 1,5...5 мм. При толщине стенки
более 5. 6 мм возможно образование усадочных раковин и воздуш-
ных включений. При литье в кокиль минимальная толщина стенок
обычно составляет 3...5 мм. Метод точного литья по выплавляе-
мым моделям обеспечивает возможность получения стенок толщиной
0,6... 1,0 мм. Рациональная конструкция литой детали не должна
содержать большого числа всякого рода выступов и выемок, препят-
ствующих разъему формы и требующих дополнительных стержней.
Значение литейного уклона берется в процентах от высоты отливки.
В углах отливки, образуемых плоскостями, необходимо делать за-
кругления, предупреждающие образование трещин и других дефек-
тов. Радиусы сопряжения должны быть по возможности одного номи-
нального размера. На рис. 6.2 приведены примеры оформления кон-
струкции литых деталей.
6.6.	ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
. Детали из листовых материалов изготовляются преиму-
щественно холодной штамповкой и сваркой. Холодная штамповка по
сравнению с другими видами обработки имеет более высокие показа-'
тсли но точности, производительности и коэффициенту использова-
148
ния материала. Технологический процесс штамповки более механи-
зирован и экономичен, просто поддается автоматизации. При проек-
тировании штампованных деталей из листовых материалов техноло-
гичность конструкции имеет важное значение, особенно для таких
сборочных единиц, как, например, камера сгорания, состоящая из
нескольких оболочек. Здесь необходимо учитывать не только возмож-
ность получения отдельных элементов конструкции и их сборки, но
и предусмотреть такое расположение и направление сварочных швов,
которые давали бы наиболее рациональные формы деталей, позволя-
ющие получать их гибкой, глубокой вытяжкой и другими современ-
ными методами холодного деформирования листовых материалов.
Технологичность конструкции деталей, получаемых методом холод-
ной штамповки, определяется выбором целесообразной формы и типа
соединений сборочных единиц. При проектировании этих деталей
следует руководствоваться следующими рекомендациями:
конфигурацию штампованной детали необходимо выбирать с
учетом рационального использования листового материала и возмож-
ности применения малоотходного и безотходного раскроя;
следует унифицировать отдельные элементы штампуемых деталей
(радиусы закруглений, диаметры отверстий и др.);
радиусы гибки должны выбираться с учетом упругой деформации
материала, не следует принимать без особой конструктивной необхо-
димости малые радиусы гиба;
конструкция деталей, получаемых методом вытяжки, преимущес-
твенно должна иметь симметричную форму, при вытяжке могут быть
получены детали с точностью диаметральных размеров по 8... 13-му
квалитету.
При плоской штамповке точность размеров по контуру составит
0,1...0,2 мм и отверстий — 0,05...0,1 мм.
При выборе формы сварного соединения деталей и сборочных
единиц из листовых материалов учитывают следующие технологичес-
кие требования:
ограниченное применение перекрещивающихся или близко распо-
ложенных сварных швов; исключение в местах сварки острых кон-
центраторов напряжения; применение, по возможности, одноименных
или близких по составу и структуре материалов свариваемых дета-
лей;
простоту сборки и подгонки сопрягаемых конструктивных элемен-
тов под сварку;
доступность места сварки для выполнения сварочных работ на
соответствующем оборудовании;
возможность применения автоматизированных методов сварки и
необходимой технологической сборочно-сварочной оснастки для
149
сохранения заданных форм и размеров конструкции, а также для
защиты обратной стороны сварного шва от окисления в процессе,
сварки;
доступность контроля и возможность применения современных
методов контроля сварных соединений.
6.7.	ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ,
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ РЕЗАНИЕМ
Технологичность конструкции деталей, обрабатываемых
резанием, определяется их конфигурацией, формой поверхностей,
подлежащих обработке, рациональной простановкой размеров, назна-
чением оптимальной точности и шероховатости поверхности. При
этом технологичность таких деталей во многом зависит от выбора
рациональной заготовки. По форме и размерам заготовка должна
максимально приближаться к готовой детали. Число поверхностей,
подлежащих обработке резанием, должно быть минимальным. Пред-
почтительны заготовки, получаемые точным литьем, редуцировани-
ем, вытяжкой, холодной высадкой, вальцеванием и штамповкой с
минимальными припусками. Номенклатуру материалов следует
максимально сокращать; применяемые материалы должны отвечать
требованиям заданных прочности и эксплуатационной надежности;
в свою очередь, они по возможности должны быть наиболее дешевы-
ми и обладать хорошей обрабатываемостью. Рациональная конструк-
ция должна иметь простые геометрические формы обрабатываемых
поверхностей, позволяющие обрабатывать их наиболее прогрессивны-
ми методами и не требующие сложного специального инструмента.
Детали должны быть достаточно жесткими и обеспечивать удобную
установку на станке. Труднообрабатываемые детали сложной конфи-
гурации должны быть расчленены на две или несколько простых
деталей с последующим соединением их сваркой или другими спосо-
бами.
Наиболее общие технологические требования по выполнению
конструктивных форм деталей и отдельных элементов обрабатывае-
мых поверхностей состоят в следующем (рис. 6.3):
плоскости должны выполняться по возможности без выступов или
последние необходимо сделать на одинаковой высоте; на сопряжен-
ных плоскостях следует сделать фаску, а не галтель (рис. 6.3, а);
пазы, гнезда, уступы не делать глухими. При невозможности
обработки паза на проход переходная часть паза должна соответство-
вать радиусу фрезы. Ширина паза должна соответствовать размерам
нормальных пазовых фрез (рис. 6.3, б);
следует избегать применения косых отверстий, -так как очень
часто будут ломаться сверла; если обязательно требуется сверление
150
a *45°
Рис. 6.3. Примеры технологичности деталей, обрабатываемых резанием
косого отверстия, то необходимо делать площадку, перпендикуляр-
ную оси отверстия (рис. 6.3, в);
следует избегать употребления внутренних полостей, требующих
обработки, и не следует применять отверстия с глухим плоским дном
(рис. 6.3, г).
Кроме того, к отдельным типам сложных деталей предъявляются
особые требования по технологичности конструкции. Например,
детали корпусов по возможности должны иметь правильную геомет-
рическую форму, обеспечивающую возможность ее полной обработки
с одной базы; у них не должно быть многообразия размеров отвер-
стий, резьб, допусков и обрабатываемых поверхностей в местах,
труднодоступных обработке.
При обработке корпусных деталей на многооперационных станках
с ЧПУ они должны иметь точные установочные базовые поверхности,
обеспечивающие однозначность положения обрабатываемой детали
относительно начала координат. При отсутствии таковых следует
предусматривать технологические приливы, платики, бобышки,
отверстия *и др. При этих условиях на станках с ЧПУ возможна
обработка максимального числа поверхностей детали с одной уста-
новки. Опыт эксплуатации станков с ЧПУ позволяет формулировать
основные требования по технологичности деталей, обрабатываемых
на станках с ЧПУ, а именно:
унификация радиусов сопряжений детали;
максимальная доступность всех обрабатываемых поверхностей при
одной установке детали на базовую поверхность;
упрощение геометрических форм контура детали и сведение их к
прямым и окружностям;
совмещение конструкторских и технологических баз.
Валы турбины, рессоры и другие детали, представляющие собой
тела вращения, не _ должны иметь удлиненных несимметричных
выступов, сечений с большой разностью толщин, глубоких закрытых
полостей и др. Диски турбин и компрессоров должны иметь простую
151
форму, позволяющую получать заготовки методом раскатки с малы-
ми припусками по торцевым поверхностям.
Технологичность конструкций мелких корпусных и крепежных
деталей класса автоматно-револьверных деталей, изготовляемых из
отливок, штамповок и пруткового материала, обеспечивается неболь-
шим числом обрабатываемых поверхностей с малыми припусками на
обработку. Основным требованием, предъявляемым к форме мелких
деталей, является возможность их изготовления высокопроизводи-
тельными методами — литьем под давлением, холодной высадкой —
на токарно-револьверных автоматах и других станках с автоматизи-
рованным рабочим циклом.
Технологичность конструкции детали во многом зависит от пра-
вильности простановки размеров и назначения допусков. Они опреде-
ляют выбор метода обработки и средств измерения. Размеры должны
обеспечивать простоту их измерения без пересчета. Размерные цепи
следует составлять так, чтобы ошибки измерения не складывались и
обеспечивалось получение размеров детали при обработке по настро-
енной операции в заданных пределах точности. Применяются два
основных способа простановки размеров на чертеже детали — цепной
и координатный. При обработке на обычных станках при цепной
простановке размеров погрешности будут складываться, при коорди-
натной — точность каждого размера определяется независимо один от
другого. Однако при этом могут иметь место большие размеры и
связанные с их измерением большие погрешности. При простановке
размеров не должно быть замкнутых размерных цепей с допусками.
Желательно, чтобы принятая система простановки размеров обеспе-
чивала совмещение конструкторских и технологических баз. При
обработке деталей на станках с ЧПУ простановку размеров следует
производить с учетом особенностей применяемой системы програм-
много управления. Так, если применяется ЧПУ с неимпульсной
системой измерения, то все абсциссы и ординаты фиксированных
положений отсчитываются от ’’нулевой точки”, являющейся началом
координат. Здесь все размеры не связаны между собой и могут быть
проставлены от одной базы. Если же применяются ЧПУ с импуль-
сной системой отсчета, то все размеры проставляются цепочкой, один
за другим, так как показания импульсного счетчика после отсчета
отрезка пути, пройденного инструментом, сбрасываются на нуль, и
при подаче новой команды открывается новый счет импульсов,
пропорциональных заданному отрезку пути инструмента.
Назначение допусков на размеры и шероховатости поверхности
должно производиться с учетом обеспечения требуемых посадок,
высокой надежности и нормальных условий эксплуатации. Вместе с
тем при выборе норм точности на отдельные размеры и шероховатос-
152
ти поверхности следует также учитывать конкретные производствен-
ные условия и не допускать необоснованно завышенных допусков и
значений шероховатости поверхности.
При отработке технологичности конструкции деталей важное
значение имеет нормализация и унификация деталей, поверхностей
и конструктивных элементов. Использование рекомендованных
таблиц предпочтительных чисел диаметров и длин, радиусов, канавок
для выхода резьбы и других нормативов и ГОСТов является непре-
менным условием создания технологической конструкции и сбороч-
ных единиц.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	В чем сущность понятия ’’технологичность конструкций” детали, узла изделия?
2.	Какая основная цель отработки конструкции на технологичность?
3.	Каковы основные показатели технологичности конструкции и как они определя-
ются?
ГЛАВА 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДЕТАЛЕЙ
Разработанный технологический процесс должен полностью обес-
печить выполнение всех требований чертежа и технических условий
на изготовление детали, узла. В то же время технологический про-
цесс должен обеспечивать наиболее высокую производительность,
обоснованную себестоимость и уменьшение вредных воздействий на
окружающую среду. Технологический процесс должен соответство-
вать требованиям техники безопасности и промышленной санитарии
по системе стандартов безопасности труда, инструкций и других
нормативных документов.
Различают три вида технологических процессов: единичный,
типовой и групповой {рекомендация Р50-54-93-88). Основой для
разработки нового технологического процесса обычно является имею-
щийся типовой, групповой или действующий единичный технологи-
ческий процесс изготовления подобных деталей.
7.1.	ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Основными исходными данными (исходной информацией)
для проектирования технологического процесса являются: чертеж
детали и технические условия на ее изготовление; чертеж заготовки;
объем выпуска деталей; справочно-нормативные материалы (каталоги
153
и паспорта станков, ГОСТы и нормали на режущий и измерительный
инструменты, нормативы по расчету припусков на обработку, режи-
мов резания и др.).
Проектирование единичного технологического процесса, сущность
которого является основой разработки типовых и групповых техноло-
гических процессов, ведется в следующей последовательности:
1)	изучение и анализ чертежа детали;
2)	установление типа и организационной формы производства;
3)	выбор вида заготовки и метода ее получения;
4)	составление плана (технологического маршрута) обработки
заготовки;
5)	разработка операций;
6)	нормирование времени операций и их экономический анализ;
7)	оформление технологической документации.
7.2.	ИЗУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ ЧЕРТЕЖА ДЕТАЛИ
Технолог должен хорошо представлять назначение и
условия работы детали на двигателе, чтобы при проектировании
технологического процесса он смог правильно выбрать методы полу-
чения заготовки и обработки детали, которые полностью обеспечива-
ют ее работоспособность в заданных условиях эксплуатации.
Изучение конструкции детали и анализ ее точности формы и
размеров основных (рабочих), базовых и свободных поверхностей
позволяют составить представление о возможных методах обработки,
определить характер и последовательность операций (черновых,
чистовых, окончательных), а анализ системы простановки линейных
и координирующих размеров (координатной, цепной, смешанной) —
выявить конструкторские и технологические базы и наметить после-
довательность обработки основных поверхностей. Ознакомление с
материалом детали (химическим составом, механическими и физи-
ческими свойствами) и характером термической обработки послужит
основанием для обоснованного выбора методов и режимов обработки
(резанием, электрохимической обработки и т.п.). Таким образом, в
результате изучения и анализа чертежа детали у технолога склады-
вается первоначальное представление о этапах технологического
процесса обработки детали, характере операций и их последователь-
ности.
154
7.3.	УСТАНОВЛЕНИЕ ТИПА
И ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ФОРМЫ ПРОИЗВОДСТВА
Зная объем выпуска изделий (деталей) и ориентировоч-
ную трудоемкость механической обработки заготовки, определяют
тип и организационную форму производства (единичное, серийное и
массовое)”, так как разрабатываемый технологический прсцесс должен
быть увязан с организацией его выполнения (см. подраздел 1.6).
7.4.	ВЫБОР ВИДА ЗАГОТОВКИ И МЕТОДА ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
Для изготовления деталей авиационных двигателей
используют следующие виды заготовок: штамповки, отливки и про-
кат (круглый, фасонный, листовой).
При выборе вида заготовки стремятся, чтобы заготовка по форме,
размерам, точности и физико-химическому состоянию поверхностно-
го слоя возможно полнее соответствовала бы параметрам готовой
детали. Такой подход к выбору заготовки существенно сокращает
технологические потери металла, что особенно важно для заготовок
из дорогостоящих жаропрочных и титановых сплавов, и снижает
затраты на их механическую обработку.
Основными факторами, определяющими вид заготовки, являются
физико-химические свойства материала детали, ее конфигурация и
габаритные размеры. Во многих случаях материал, заданный в
чертеже детали, определяет вид заготовки. Например, если материал
детали — литейный сплав (алюминиевые сплавы АЛ4, АЛ5, стали
25Л, ЗОХГСФЛ, 20ХМЛ, 40Х24Н12СЛ, жаропрочные сплавы
ВЖЛ12У, ЖС6ЖУ, ЖС26 и др.), то заготовкой будет отливка. Если
деталь выполнена из деформируемого металла (сплава), то в зависи-
мости от- конфигурации детали заготовкой будет штамповка или
прокат.
Большое значение при выборе вида заготовки и способа ее получе-
ния имеет объем выпуска изделий (деталей) или тип производства.
С увеличением объема выпуска деталей экономически выгодно
использование более совершенных технологий и оборудования для
производства заготовок. Например, если требуется изготовить не-
сколько стальных валиков и шестерен (единичное производство),
экономически целесообразным видом заготовки будет круглый про-
кат. С увеличением объема выпуска (серийное производство) выгод-
нее использовать штамповку. Метод получения заготовки также
зависит от объема выпуска деталей. Например, при малом объеме
выпуска деталей отливки экономически выгодно получать .литьем в
земляные формы. С увеличением объема выпуска деталей выгоднее
155
применять более совершенные методы — литье в кокиль, литье по
выплавляемым моделям (поликристаллическое, с направленной крис-
таллизацией и монокристальное), литье под давлением.
При выборе вида заготовки учитываются также требования экс-
плуатационной надежности и работоспособности детали. Заготовки
для высоконагруженных деталей (валы, диски турбины, компрессоры,
шестерни) изготовляют- штамповкой, корпусные детали из сталей и
алюминиевых сплавов — литьем.
Общие требования к заготовкам — они должны подвергаться
механической обработке по возможности только по сопрягаемым
поверхностям и иметь простую геометрическую форму с плавными
переходами между сечениями .
7.5.	ПОСТРОЕНИЕ ПЛАНА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ
План обработки детали (маршрутный технологический
процесс) составляют исходя из требований чертежа детали, установ-
ленного типа производства и принятой заготовки. При этом решаются
следующие основные вопросы: установление этапов и числа операций
технологического процесса; выбор технологических и измерительных
баз; назначение методов обработки и выбор типов станков для каж-
дой операции; определение места термической обработки в техноло-
гическом процессе.
Установление этапов и числа операций технологического процес-
са. Установление этапов (черновой, чистовой, окончательный) опре-
деляется требуемой точностью и жесткостью обрабатываемой детали.
Чем выше требуемая точность и меньше жесткость детали, тем
больше требуется ступеней (этапов) обработки.
Число операций устанавливается исходя из принципов концентра-
ции и дифференциации операций, определяемых объемом выпуска
деталей (подробнее см. в подразд. 1.3, 1.4).
Выбор технологических баз. От правильного выбора технологи-
ческих баз существенно зависит точность обработки поверхностей
детали, сложность и конструкция приспособлений, режущих и изме-
рительных инструментов и производительность обработки.
Назначение технологических баз начинается с выбора технологи-
ческой базы для выполнения первой операции (черновой технологи-
ческой базы). В качестве черновой базы следует выбирать: повер-
Более подробно о расчете и проектировании заготовок см. в [2].
156
хность, относительно которой на первой операции могут быть обрабо-
таны поверхности, используемые на последующих операциях как
технологические базы (чистовые); поверхности, остающиеся в детали
необработанными. Не рекомендуется использовать в качестве черно-
вой технологической базы поверхности, на которых расположены в
отливках прибыли и литники, а также щвы в местах разъема опок,
пресс-форм, штампов. Черновая технологическая база должна ис-
пользоваться при обработке заготовки только один раз — при выпо-
лнении первой операции. Все последующие операции и установки
заготовки необходимо осуществлять на обработанных базовых повер-
хностях.
При назначении технологических баз для всех последующих
операций (чистовые базы) следует руководствоваться принципами
совмещения и постоянства баз (см. подразд. 2.3).
Точность обработки поверхностей, служащих технологическими
базами, обычно выше, чем это требуется по чертежу, и выше, чем
точность поверхностей, обрабатываемых на этих базах.
Назначение методов обработки поверхностей детали. В зависи-
мости от требуемой точности намечаются методы обработки и типы
станков для каждой операции по экономической точности (см. под-
разд. 3.5). При построении плана обработки исходят из того, что
каждый последующий метод обработки должен быть точнее предыду-
щего. Допуски на промежуточный размер и шероховатость повер-
хности, полученные на предыдущем этапе обработки, должны-нахо-
диться в пределах, при которых возможно использование последую-
щего метода обработки.
Место термической обработки в технологическом процессе
изготовления детали. Термообработка деталей авиационных двигате-
лей обычно производится для улучшения обрабатываемости резанием
материала заготовки (отжиг, нормализация, закалка с высоким
отпуском), снятия остаточных напряжений н для повышения механи-
ческих свойств материала согласно ТУ в чертеже детали (закалка,
отпуск или старение; химико-термическая обработка: цементация,
азотирование, цианирование, алитирование и др.).
При составлении плана обработки детали важно правильно опре-
делить место термообработки. Так, если деталь подвергается термо-
улучшению (закалке и отпуску), то операцию термообработки прово-
дят либо до механической обработки (до первого этапа), если есть
уверенность в том, что будет достигнута полная прокаливаемое™
(детали небольших размеров), либо после черновой обработки (круп-
ные детали). Если деталь подвергается цементации с последующей
закалкой и отпуском, то эти операции проводят чаще всего после
второго этапа. Нецементируемые поверхности защищают меднением
157
или оставляют увеличенной припуск (несколько больше глубины
цементации), который снимают после цементации, но до закалки.
Поверхность детали под цементацию шлифуют или обрабатывают
чистовым точением. Это делается для облегчения контроля твердости
после цементации и уменьшения припуска на последующее шлифо-
вание цементированной поверхности.
Детали из стали азотируют обычно в середине третьего этапа
(окончательная обработка). В этом случае поверхности шлифуют,
затем азотируют и окончательно шлифуют. Такое построение плана
обработки азотируемых поверхностей обусловливается тем, что после
азотирования снимается минимальный припуск (0,04...0,06 мм на
сторону) для сохранения высокой твердости азотированного слоя
(HV> 700).
Неазотируемые поверхности защищают лужением (электролити-
чески или в горячем состоянии).
При цианировании (нитроцементации) поверхность детали шли-
фуют до и после насыщения поверхностного слоя азотом и углеродом.
Заготовки, поковки и отливки до первого этапа подвергают термооб-
работке (нормализация, отжиг, старение) для снятия остаточных
напряжений, выравнивания структуры материала и улучшения его
обрабатываемости.
7.6.	РАЗРАБОТКА ОПЕРАЦИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
При разработке операций механической обработки необ-
ходимо определить операционные припуски, размеры и допуски;
выбрать измерительные базы; уточнить способы выполнения отдель-
ных операций; уточнить тип и модель станка, технологическую
оснастку (приспособления, режущий и измерительный инструмент);
назначить режимы обработки.
Определение операционных припусков, размеров и допусков.
Припуском на обработку называется слой металла, удаляемый с
заготовки для получения готовой детали в соответствии с требования-
ми чертежа. Различают общий и операционные припуски. Общий
припуск — разность размеров заготовки и окончательно обработанной
детали. Операционный припуск — слой металла, снимаемый на
данной операции. Его величина определяется как разность размеров,
полученных на предшествующей и последующей операциях.
Общий припуск на обработку равен сумме операционных припус-
ков по всем технологическим операциям:
158
от предшествующей обработки; б ~ допуск на предшествующий
операционный размер; Дф — составляющая припуска, учитывающая
искажение формы поверхности между предшествующей и рассматри-
ваемой операциями.
Для расчета припусков по приведенным формулам необходимо
располагать численными значениями составляющих Rz и hK (для
различных методов обработки приведены в справочниках по техноло-
гии машиностроения), погрешности формы и размеров (б, Дф) норми-
руются допусками в зависимости от требуемой точности.
Расчетно-аналитический метод определения припусков целесооб-
разно применять для расчета размеров исходной заготовки при
проектировании технологических процессов изготовления ответствен-
ных деталей в условиях крупносерийного и массового производства.
Операционные размеры по всем операциям и переходам механи-
ческой обработки определяются на основе расчета припусков. Вели-
чина припуска измеряется по нормали к обрабатываемой повер-
хности.
Расчет операционных размеров, припусков и допусков производит-
ся в определенной последовательности. Вначале определяются базо-
вые установочные поверхности, намечается порядок выполнения
операций технологического процесса и устанавливаются значения
шероховатости, дефектного слоя, погрешности формы и значение
допуска. Затем по приведенным формулам рассчитываются' (или
назначаются по соответствующим нормативам) припуски на все
операции.
На рис. 7.3 приведена схема определения операционных размеров,
припусков и допусков на различных стадиях обработки вала.
Для наружных поверхностей вначале определяется расчетный
размер обрабатываемой детали для последней операции согласно
чертежу, затем к номинальному размеру детали прибавляется значе-
ние операционного припуска
предпоследней операции и ука-
зывается значение допуска на
данную операцию. Определяется
операционный размер и далее к
Рис. 7.3. Схема расчетов операционных
размеров для вала:
Д, L2y L3 — операционные размеры на
различных стадиях обработки (черновая,
чистовая, окончательная):, z,, z2, z3 —
припуски на черновую, чистовую и
окончательную обработку; Z3ar, z3ap, 6С
— размер, общий припуск и допуск
заготовки
6 Зак 1398
161
В производственных условиях для определения операционных
припусков и допусков используются общесоюзные стандарты и отрас-
левые нормали (ОСТы) на припуски. В авиационном машинострое-
нии обязательным для применения являются нормали (ОСТы):
РТМ 588, ОСТ. 1.41187—72 — для заготовок штамповок; АН-2080 —
для отливки из жаропрочных сталей и сплавов и др.
В ряде случаев приходится отступать от нормативов на припуски.
Факторы, которые метут заставить увеличить припуск на обработку,
— большая погрешность установки детали на данной операции;
коробление детали при термообработке; обработка конструктивно-
сложных и дорогостоящих сталей (валы и диски турбины, компрессо-
ра, корпуса), т.е. в тех случаях, когда риск при обработке не допус-
кается.
Расчетно-аналитический метод опреде-
ления припусков. Этот метод разработан В.М. Кованом.
Сущность метода — операционный припуск должен обеспечить снятие
дефектов обработки, возникших на предшествующей операции.
Основными составляющими операционного припуска являются шеро-
ховатость поверхности, дефектный слой заготовки (раковины, шлако-
вые включения, вмятины, наклеп, изменение химического состава и
др.) и погрешности размеров и формы, возникших после предшеству-
ющей обработки (рис. 7.2). Значение припуска на данной операции
зависит от факторов, связанных с предшествующей операцией.
В общем виде расчетная величина номинального операционного
припуска может быть определена по" следующим формулам:
а)	для одностороннего расположения (припуск на сторону при
обработке плоской поверхности)
z = Rz + hK + 6 + Дф;
 (7.2)
б)	для двустороннего симметричного расположения
z = 2(Rz +h„) + 6 + Дф, (7.3)
где Rz — шероховатость поверхнос-
ти после предшествующей обработ-
ки; Лн — толщина дефектного слоя
Рис. 7.2. Составляющие операционного
припуска:
Z2 — номинальный размер на рассматривае-
мой операции; Lt — номинальный размер
на предшествующей операции
160
Рис. 7.1. Схема расположения операционных
припусков н допусков для вала:
jtj, 52 — номинальный размер и допуск на рас-
сматриваемой операции; S] — номинальный
размер и допуск на предшествующей операции
п
2заг “ 52 zi’
i = l
-max
(7.1)
где п — число операций.
Величина припуска оказывает существенное влияние на технико-
экономическую сторону технологического процесса. Чрезмерно
большие припуски снижают производительность и экономичность
технологического процесса. Очень малые припуски тоже нежелатель-
ны, так как при этом усложняется технологический процесс, повыша-
ются требования к точности обработки, увеличивается процент брака,
что также снижает производительность и увеличивает себестоимость
обработки. При расчете операционных размеров различают номи-
нальный, наибольший и наименьший опе-
рационные припуски (рис. 7.1).
В машиностроении применяют два метода определения припусков:
опытно-статистический (нормативный) и расчетно-аналитический.
При опытно-статистическом (норматив-
ном) методе определения припусков использу-
ются табличные данные, составленные на основе обобщения и систе-
матизации опыта передовых заводов отрасли. Нормативный метод
получил в машиностроении наибольшее распространение благодаря
его простоте и наглядности. Достоинство этого метода состоит в том,
что использование усредненных нормативных значений припусков
(общих и операционных) сокращает сроки проектирования техноло-
гического процесса, исключает возможность грубых просчетов и
упрощает нормирование расхода материалов. Недостатком этого
метода является назначение припуска без учета требований конкрет-
ного технологического процесса, что, как правило, влечет за собой
применение завышенных припусков.
159
нему прибавляется припуск предшествующей операции и в таком
порядке определяются расчетные размеры по всем операциям техно-
логического процесса. Для внутренней поверхности вращения (отвер-
стия) из номинального размера отверстия, заданного чертежом
детали, вычитается значение операционного припуска последней
операции и определяется расчетный операционный размер; далее из
него вычитается припуск предшествующей операции и определяется
операционный размер и т.д.; в такой же последовательности опреде-
ляются операционные размеры для всех последующих операций.
Для расчета операционных размеров, допусков и припусков
используют технологические размерные цепи. В зависимости от
поставленной задачи и производственных условий технологические
размерные цепи рассчитываются следующими способами: на макси-
мум и минимум, вероятностным методом, методом групповой взаимо-
заменяемости (по селективной сборке), с учетом регулирования
размеров при сборке, с учетом пригонки размеров отдельных деталей
при сборке. Выбор конкретного способа расчета зависит прежде всего
от принятого за его основу метода достижения требуемой точности
изделия по принципам полной или неполной взаимозаменяемости.
Более подробно о расчете размерных цепей см. в [5, 8].
Число возможных окончаний операционных размеров ограничива-
ют, сокращая этим число специального измерительного и мерного
режущего инструментов, используемых в разрабатываемых операци-
ях для обработки и контроля детали. Рекомендуемые окончания
операционных размеров даны в нормали АН-730.
Операционные допуски. При назначении операци-
онного допуска учитывают: вид выполняемой операции (черновая,
чистовая, окончательная); назначение и особенности обрабатываемой
поверхности (технологическая база или свободная поверхность,
цементируемая, азотируемая); величину припуска, оставляемую на
последнюю операцию. В практике допуски на операционные размеры
обычно принимаются: для черновой обработки по 12...13-му квалите-
ту и для чистовой — по 11...8-му квалитету. Допуски на окончатель-
ные размеры детали указываются в чертеже. Операционные допуски
направлены в тело заготовки: для отверстия — в сторону плюс, а для
наружных тел вращения — в сторону минус.
Выбор измерительной базы. Рассчитывая операционные размеры
на обрабатываемые поверхности, важно обоснованно наметить изме-
рительные базы, обеспечивающие их надежный контроль.
Выбирая измерительную базу, стремятся к совмещению измери-
тельной и конструкторской баз, при этом стараются избежать пере-
счета размеров и ужесточения допусков по сравнению с чертежными.
Следует также помнить, что совмещение измерительной базы с
162
технологической позволяет вести обработку по упорам. Лучшим
вариантом считается совмещение конструкторской, измерительной и
технологической баз.
Уточнение способа выполнения отдельных операций. Зная требу-
емую точность обработки на данной операции (допуск на операцион-
ный размер) и значение припуска, уточняют ранее намеченный
метод обработки, руководствуясь таблицами экономической точности
обработки.
Выбор станка, приспособления, режущего и измерительного
инструмента. Для каждой разрабатываемой операции необходимо
выбрать станок, приспособление, режущий и измерительный инстру-
мент, а также назначить режим обработки. Рассматривая многочис-
ленные возможные варианты выполнения операции, предпочтение
следует отдать тому варианту, который обеспечивает заданную
точность и параметры поверхностного слоя при наивысшей произво-
дительности и наименьшей себестоимости.
Выбор станка. Выбирая станок, руководствуются следующими
соображениями. Размеры рабочей зоны станка должны соответство-
вать габаритным размерам детали. Например, токарную обработку
валов лучше выполнять на токарно-многорезцовом станке, диски
компрессора и турбины выгоднее точить на обрабатывающем центре
с ЧПУ, на лобовом или карусельном станках, а не на обычных
токарных станках. Сверлить отверстия в крупных корпусных деталях
лучше на радиально-сверлильных или агрегатных станках, а не на
вертикально-сверлильном.
Выбранный станок должен обеспечивать требуемую точность
обработки. Должно соблюдаться соответствие мощности, жесткости
и кинематических возможностей станка иаивыгоднейшим режимам
резания. Например, детали из алюминиевых сплавов обрабатывают
на быстроходных станках, а детали из жаропрочных сплавов — на
более мощных тихоходных станках повышенной жесткости. Выбирая
станок, учитывают Также соответствие производительности станка
заданному объему выпуска деталей.
Выбор приспособлений. Выбирая приспособление, необходимо
стремиться использовать прежде всего универсальные приспособле-
ния, которыми станкостроительные фирмы укомплектовывают свои
станки (трехкулачковые патроны, цанги, тиски, оправки и др.).
Специальными приспособлениями оснащают станки, если они сущес-
твенно облегчают труд (механизированные зажимные и загружающие
устройства), повышают производительность (многошпиндельные
сверлильные головки) или расширяют технологические возможности
станка (например, копирные устройства для обработки фасонных
поверхностей).
6*
163
Выбор режущего инструмента. При выборе режущего инструмен-
та целесообразно более широко использовать стандартный и нормали-
зованный режущие инструменты. Эффективность работы режущего
инструмента во многом определяется маркой материала. Выбор
материала режущего инструмента зависит от сложности инструмента
(твердые сплавы более широко используются для резцов; протяжки,-
долбяки, червячные фрезы чаще изготавливают из быстрорежущих
сталей); масштаба производства и обрабатываемого материала (дета-
ли из чугуна обрабатывают твердыми сплавами ВК6М, ВК6ОМ,
жаропрочные сплавы — быстрорежущей сталью Р18 и другими сталя-
ми, стали — твердыми сплавами Т15К6, ВК60М). При выборе мате-
риала режущего инструмента учитывают также возможность полного
использования его режущих свойств.
Назначение режимов резания. Режимы обработки устанавливают
по нормативам. Выбираемый режим резания должен обеспечить
требуемые параметры точности и поверхностного слоя обрабатывае-
мой поверхности. При назначении режимов резания учитывают
характер обработки, тип и размер инструмента, материал его режу-
щей части, материал заготовки, тип и состояние станка, т.е. устанав-
ливаемый режим резания должен быть согласован с возможностями
выбранного станка и режущего инструмента.
Параметры режима резания обычно устанавливают в следующей
последовательности: выбирают глубину резания /, определяют подачу
S (минутную 5'м, на оборот обрабатываемой детали So, на зуб в
зависимости от вида обработки; задаваясь периодом стойкости ин-
струмента, по значениям t и S определяют скорость резания' v, а
следовательно, и 'частоту вращения обрабатываемой детали или
инструмента, а при круглом шлифовании — частоту вращения как
детали, так и шлифовального круга. Параметры режима резания
назначают в зависимости от вида обработки. При черновой (предва-
рительной) обработке режим резания должен обеспечить наивысшую
производительность. В этом случае критерием является экономически
выгодная стойкость инструмента, при которой затраты на обработку
становятся минимальными. При черновой обработке t и $ назначают
по возможности максимальными исходя из жесткости и прочности
технологической системы, мощности привода станка и других ограни-
чивающих факторов. При чистовой обработке определяющую роль
играют требования к геометрической точности и параметрам повер-
хностного слоя (шероховатость и физико-химическое состояние
поверхностного слоя) обрабатываемой детали.
164
7.7.	ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ
Изготовить из заготовки деталь в соответствии с ТУ
можно различными вариантами обработки. Например, плоскость
можно строгать, фрезеровать, шлифовать; резьбу можно нарезать
резцом, метчиком (плашкой), фрезеровать, шлифовать, накатать.
Предпочтение следует отдать тому варианту, который обеспечивает
заданную производительность при наименьшей стоимости обработки,
т.е. надо произвести сопоставление возможных вариантов обработки
(операций) по производительности и экономичности. Производитель-
ность оценивается по норме времени на обработку, а экономичность
— по цеховой себестоимости детали.
Нормирование операций. Разрабатывая технологический процесс
механической обработки детали, необходимо определить затраты
времени на выполнение каждой операции — норму времени на обра-
ботку одной детали, т.е. установить техническую норму времени.
Техническая норма времени — время, необходимое для выполне-
ния операции в предусмотренных для нее условиях.
Норма времени на обработку одной детали на данной операции
(штучное время) определяют по формуле
^шт ~	+	+ ^об + ^п’	(7.4)
где tQ — основное (технологическое) время; tB — вспомогательное
время; — время обслуживания рабочего места; tn — время переры-
вов на отдых и личные надобности.
Основное время tQ — время, в течение которого происходит изме-
нение формы, размеров и физико-химического состояния поверхнос-
тного слоя обрабатываемой детали, рассчитывается для каждого
перехода операции по формуле
где £р — расчетная длина в направлении подачи; 5М — минутная
подача (при точении SM - SQn мм/мин; при фрезеровании SM -
— Szzn мм/мнн); i — число проходов в переходе; а — число одновре-
менно обрабатываемых деталей. Суммируя время переходов, находят
t0 на всю операцию.
Вспомогательное время tB ~~ время на действия рабочего при
выполнении основной технологической работы. Это время, расходуе-
мое рабочим на установку, закрепление и снятие детали, управление
165
механизмами станка, перемещение режущего инструмента, измере-
ние детали в процессе обработки и др. Вспомогательное время опера-
ции определяют суммированием времени перечисленных действий по
соответствующим нормативам.
Сумма времени to и гв называется оперативным временем: /сп =
= tn + tR. Оперативное время составляет основную часть штучного
времени.
Время обслуживания рабочего места tQ^ — время ухода за стан-
ком, отнесенное к одной детали; его подразделяют на время техни-
ческого обслуживания tT 0 и время организационного обслуживания
^О.О'
Время -технического обслуживания tTO — время на правку и смену
инструмента, подналадку и регулировку станка, сметание стружки’
и другие действия, связанные с выполнением основной работы. Время
tTO зависит непосредственно от основного времени и поэтому его
исчисляют в процентах к основному времени: tT O = а£о/100.
Время to 0 — время организационного обслуживания, затрачивае-
мое рабочим на уборку, чистку и смазку станка и другие действия,
связанные со сменой. Это время исчисляется в процентах к оператив-
ному времени: to o = рго п/100.
Время tn — время перерывов на отдых и личные потребности,
предусматриваемое только при тяжелых или утомительных работах,
исчисляется в процентах к оперативному времени: tn = yto п/100.
Норма времени в условиях единичного и серийного производства,
когда детали обрабатываются партиями, называется калькуляционной
нормой времени Тк, вычисляемой по формуле
Тк = ТШ1 +	(7.6)
Nn
где tn з — подготовительно-заключительное время; Na — число дета-
лей в партии. Подготовительно-заключительное время — это
время, затрачиваемое рабочим на ознакомление с предстоящей
работой, подготовку и наладку станка, приспособлений, инструмен-
тов; снятие приспособлений и инструментов по окончании обработки
деталей. 3 назначается по нормативам, устанавливается для всей
партии обрабатываемых деталей.
Определяя норму времени на выполнение операции, по ква-
лификационному справочнику устанавливают также и разряд рабо-
ты (квалификацию), а иногда рассчитывают и норму выработки.
Норма выработки Нв — число деталей, обработанных за смену на
данной операции:
166
нв = тсй/тШ1,
(7.7)
1де Тсм — продолжительность рабочей смены; Тшт — норма штучного
времени. Норма выработки характеризует производительность труда
рабочего.
7.8.	ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПЕРАЦИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Экономичность — основной фактор при выборе оптималь-
ного варианта выполнения операции. Экономичность того или иного
варианта операции оценивается по цеховой себестоимости детали.
Цеховая себестоимость Сд — затраты, определяющие себестои-
мость детали, обработанной на данной операции. Она состоит из
следующих затрат:
Сд’М+Зпр+Н,	(7.8)
где М — стоимость материала заготовки;' Зпр — заработная плата
производственных рабочих; Н — цеховые накладные расходы.
Цеховые накладные расходы
Н = О - Л +	+ П ,	<7-9)
N ДГ р
где О — расходы, связанные с амортизацией и эксплуатацией универ-
сальных оборудования и приспособлений; И/?/ — расходы на аморти-
зацию и эксплуатацию специальных станков и специальной оснастки,
отнесенные к объему выпуска деталей N\ 3JN — зарплата наладчи-
ков, отнесенная к объему выпуска деталей; Пр — прочие расходы,
связанные с оплатой труда административно-хозяйственного персона-
ла, с расходами на отопление, ремонт и амортизацию цеховых зда-
ний, транспорт и др. Затраты, из которых складывается цеховая
себестоимость детали, можно разделить на две основные группы:
затраты, связанные с выполнением операции, так называемая
технологическая себестоимость, и затраты, не связанные с выпо-
лнением операции, а зависящие от общих производственных условий
работы цеха Пр. Экономические преимущества одного варианта перед
другим выявляются путем сравнения технологической себестоимости.
В технологической себестоимости одна ее часть (обозначим буквой
А) в значительной степени зависит от объема выпуска, ее называют
167
I

Рис. 7.4. Зависимость технологической себестоимости обработки одной детали Сд(а)
и годовой программы СЛ,(б) от объема выпуска Л'
текущими или переменными расходами: A = М + Зпр + О = f(N);
другая часть технологической себестоимости (обозначим ее буквой Z>)
с объемом производства не связана, ее называют единовременными
или постоянными расходами: Ь = И + Зн. В этом случае технологи-
ческая себестоимость одной детали будет описываться уравнением
гиперболы (рис. 7.4)
<7.10)
Технологическая себестоимость изготовления деталей в объеме
годовой программы будет описываться уравнением прямой
CN = AN + b.
(7.11)
Выбор оптимального варианта. Более удобно сравнивать вариан-
ты по технологической себестоимости годовой программы (рис. 7.5).
В этом случае можно получить представление об экономичности того
или иного варианта и определить годовую экономию при его исполь-
зовании. Точка пересечения прямых соответствует Л7кр, т.е. програм-
ме (объему выпуска деталей), при которой оба варианта могут счи-
таться равноценными. Значение NKp может быть определено по
формуле
. Чтобы избежать ошибок, за первый вариант следует выбирать тот,
у которого меньше единовременные расходы Из рис. 7.5 видно,
что при годовой программе, меньшей NKp, выгоднее принять первый
168
Рис. 7.5. Зависимость себестоимости
обработки деталей от размера партии для
двух вариантов
вариант. При программе, боль-
шей NKp, более выгодным стано-
вится второй вариант. Годовая
экономия для любой программы
выражается разностью ординат
Сдт.
7.9.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Содержание и правила разработки технологической
документации определяются Единой системой технологической
документации (ЕСТД). Она представляет собой комплекс государ-
ственных стандартов, устанавливающих правила и положения о
порядке разработки, оформления и комплектации технологической
документации.
Основное назначение стандартов ЕСТД заключается в установле-
нии единых правил оформления технологической документации. Они
дают возможность взаимообмена технологическими документами
между организациями- и предприятиями без их переоформления.
Стандартизация обозначений и унификация последовательности
размещения однородной информации в формах документации на
различные виды работ позволяют использовать средства вычислитель-
ной техники для управления производством.
К технологическим относятся графические и текстовые докумен-
ты, которые в отдельности или совокупности определяют технологи-
ческий процесс изготовления изделия и содержат необходимые дан-
ные для организации производства. Они предусматривают следующие
виды технологических документов: маршрутную карту, операцион-
ную карту, карту эскизов и схем, спецификацию технологических
документов, технологическую инструкцию, материальную ведомость,
ведомость оснастки и др.
Маршрутная карта (МК) предназначена для описания техноло-
гического процесса изготовления и контроля изделий по всем опера-
циям в технологической последовательности с указанием соответству-
ющих данных по оборудованию, оснастке, материальным, трудовым
и другим нормативам.
Операционная карта (ОК) содержит описание операций техноло-
гического процесса изготовления изделий с расчленением операций
по переходам и с указанием режимов работы. В зависимости от
169
характера работы ОК разрабатывают на процессы механической
обработки, на слесарно-сборочные работы, технологический контроль
и др.
Карта эскизов и схем (КЭ) предназначена для графической
иллюстрации технологического процесса изготовления изделия и
отдельных его элементов. КЭ содержит эскизы и схемы, дополняю-
щие или поясняющие содержание операций.
Спецификация технологических документов (СТ) представляет
собой перечень технических документов, выпущенных на изделие и
его составные части.
Технологическая инструкция (ТИ) содержит описание специфи-
ческих приемов работ или описание методики контроля технологи-
ческого процесса, правил пользования оборудованием и приборами,
а также описание физико-химических явлений, происходящих при
выполнении отдельных операций технологического процесса.
Материальная ведомость (ВМ) предназначена для подготовки
производства и является подетальной и сводной ведомостью норм
расхода материала.
Ведомость оснастки (ВО) содержит перечень специальных и
стандартных приспособлений и инструментов, необходимых для
оснащения технологического процесса. Она составляется на основа-
нии карт технологического процесса.
' На стадии предварительного проекта технологическая документа-
ция составляется по усмотрению предприятия-разработчика. На
стадии разработки рабочей документации обязательными докумен-
тами являются МК. Для установившихся серийного и массового
.производств к числу обязательных документов относят также специ-
фикацию технологических документов и ведомость оснастки. Все
остальные документы составляют по усмотрению предприятия-разра-
ботчика.
7.10.	МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРУДА
И СНИЖЕНИЯ СЕБЕСТОИМОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ГТД
Норма выработки Нк, которая представляет собой число
деталей, обработанных на данной операции за единицу времени
(смену, час), характеризует собой производительность труда рабо-
чего.
Очевидно, что производительность труда может быть повышена
путем уменьшения и в первую очередь ее составляющих t0 и tB,
сумма которых представляет собой оперативное время (£оп); to —
основное (технологическое) время может быть снижено использова-
нием инструмента, обладающего высокой стойкостью, что позволяет
170
применить более жесткие режимы резания; одновременной обработ-
кой (последовательно или параллельно) нескольких деталей; приме-
нением многоинструментальных наладок и использованием станков
с программным управлением.
При комплексном решении задач повышения производительности
труда необходимо уделять внимание мероприятиям, обеспечивающим
снижение вспомогательного времени t&. К ним относятся в первую
очередь использование быстродействующих приспособлений и
средств, ускоряющих и облегчающих установку заготовок деталей
для обработки; применение средств активного контроля, позволяю-
щих контролировать не только размеры заготовок в процессе их
обработки, но и управление станком.
Снижение себестоимости изготовления. Задача снижения себесто-
имости должна решаться различными путями. В подразд. 7.8 показа-
но, что себестоимость изготовления одной детали Сд - М + 3^ + Н.
Очевидно, что для снижения себестоимости изготовления необходимо
снизить каждое из слагаемых уравнения (7.8).
Пути к этому могут быть следующими. Затраты на основной
материал М могут быть снижены сокращением номенклатуры марок
материала; исйользованием более дешевых материалов и более
простых методов получения заготовок (например, для сварных кон-
струкций диска с валом применением стыковой сварки), а также
методов получения заготовок с меньшими припусками на обработку;
использованием термообработки, повышающей обрабатываемость
материала заготовок.
Снижение расходов по оплате труда производственных рабочих
Зпр может быть достигнуто только путем повышения производитель-
ности труда с помощью средств, описанных выше.
Снижение накладных расходов Н может быть достигнуто совер-
шенствованием как технических средств, так и организации произ-
водства.
Технические средства охватывают применение более рациональ-
ного оборудования и оснастки и приемов их наладки. Организацион-
ные мероприятия включают рациональное построение технологичес-
кого процесса, использование площадей, использование кадров,
применение НОТ при подготовке производства и др. -
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Какие исходные данные необходимы для проектирования технологического
процесса?
2.	Как выбираются вид заготовки и метод ее изготовления?
3.	Как рассчитываются операционные размеры, припуски и допуски?
171
4.	Какими соображениями руководствуется технолог при выборе типа станка,
технологической оснастки и режимов резания при разработке операций?
5.	Как рассчитываются нормы времени выполнения операций механической
обработки деталей?
6-	Как определяется цеховая себестоимость обработки детали на данной операции?
7-	Каковы основные виды технологической документации?
ГЛАВА 8. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
8.1.	ЗАДАЧИ САПР ТП ГТД
Автоматизированное проектирование технологических
процессов (ТП) заключается в рациональном распределении работы
между технологом, проектирующим ТП, и ЭВМ. САПР ТП ГТД —
комплекс средств, необходимых для такого проектирования (техни-
ческих, программных и организационных), обеспечивающих
автоматизированное проектирование ТП на предприятии, выпус-
кающем ГТД.
Современные ЭВМ и управляемое от ЭВМ технологическое обору-
дование (станки и приспособления с ЧПУ, роботы) при условии
создания соответствующих алгоритмов и программ САПР ТП ГТД
(разд. 8.4), в перспективе позволят резко повысить долговечность,
надежность и удельные параметры новых конструкций двигателей до
уровня, недоступного традиционному ручному проектированию
технологических процессов.
Разработанные к настоящему моменту САПР ТП как универсаль-
ные, так и ориентированные на технологическую подготовку произ-
водства некоторых деталей и узлов ГТД, например лопаток компрес-
сора [5], основаны на алгоритмах построения в ЭВМ технологичес-
ких решений для новых изделий путем многократного использования
ранее составленных наиболее опытными технологами и занесенных
в базу данных этой ЭВМ унифицированных технологических реше-
ний следующих уровней типизации:
1)	типизации обработки элементарных поверхностей (наружная
цилиндрическая, отверстия, коническая, плоскости и т.д.);
2)	типизации обработки сочетаний элементарных поверхностей
(проточки, шпоночные канавки, шлицы, елочные пазы и т.д.);
3)	комплексной типизации процессов изготовления заготовок и
деталей.
Согласно наиболее общей классификации этих САПР ТП
(В.Д. Цветков) их алгоритмы построены на двух методах:
172
типизации (МТ) (разд. 8.2), использующих 3-й уровень, типиза-
ции ТП для деталей;
синтеза (МС) (разд. 8.3), компонующих решение для детали из
более элементарных 1-го и 2-го уровней типизации.
Эти САПР ТП позволяют обеспечить выполнение требований
рабочего чертежа и технических условий, значительно быстрее и
тщательнее оптимизируя генерируемое ЭВМ технологическое реше-
ние для новой детали, но только по критериям эффективности произ-
водства машины для данного предприятия. Во время диалога с ЭВМ
технологу предоставляется выбор обычно одного из двух критериев
оптимизации: минимальной себестоимости изделия или минимальной
трудоемкости. Без сложной переработки блока оптимизации универ-
сальных САПР ТП применительно к ГТД их можно адаптировать к
решению задачи минимизации длительности цикла подготовки
производства выпуска новых двигателей, введя соответствующий
приоритет рассмотренных критериев, например, минимизации дли-
тельности цикла подготовки производства, себестоимости изделия,
трудоемкости. Такая последовательность критериев рекомендуется
для опытного и мелкосерийного производств, учитывая частую сменя-
емость конструкций выпускаемых ГТД, чрезвычайную сложность
технологической подготовки их производства, быстрый технический
прогресс и моральное старение конструкций двигателей. Однако если
данных деталей в двигателе много, например лопаток, или конструк-
ция ГТД принята к серийному или к крупносерийному производству,
то пользователь САПР ТП меняет приоритет критериев в соответ-
ствии с производственной конъюнктурой.
Поскольку технологи, даже наиболее опытные, не в состоянии
заранее определить, как то или иное технологическое решение
повлияет на прочность и долговечность нового изделия, то САПР ТП,
построенные на методах типизации и синтеза, принципиально не
могут генерировать технологические решения, наивыгоднейшие для
прочности и долговечности ГТД. Поэтому для решения указанной в
начале данной главы перспективной задачи САПР ТП ГТД по реали-
зации больших резервов технологии в улучшении эксплуатационных
качеств, надежности и долговечности двигателей целесообразно
применение третьего метода ММ, основанного на математическом
моделировании в ЭВМ зависимости характеристик работоспособности,
прочности и долговечности деталей ГТД от процессов изменения
геометрии, физических и химических параметров обрабатываемых
деталей (см. разд. 8.4).
Благодаря развитию теории многокритериальной оптимизации
функций возможно рациональное сочетание в САПР ТП .ГТД всех
трех методов (МТ, МС, ММ) с оптимизацией проектируемого техно-
173
логического процесса по комплексу перечисленных критериев, с
гибким заданием их приоритетов (автоматическим или конъюнктур-
ным ранжированием пользователем).
Успешное решение комплекса поставленных задач прежде всего
зависит от профессиональной и компьютерной грамотности техноло-
гов предприятия, работающих с САПР ТП ГТД. Согласно их функ-
циям при работе с САПР ТП среди технологов различают системщи-
ков и пользователей. Технологи-системщики выявляют потребности
предприятия в приобретении соответствующих программных и техни-
ческих средств САПР ТП, выполняют их адаптацию к предприятию
(технологическому оборудованию и особенностям выпускаемых
изделий), разрабатывают свои (проблемно-ориентированные) систе-
мы, подсистемы, блоки, подпрограммы САПР ТП, оказывают помошь
технологам-пользователям с целью эффективного решения последни-
ми технологических задач для конкретных изделий. Технологи-
пользователи в диалоге с ЭВМ выполняют параметрическую настрой-
ку САПР ТП на конкретное оборудование и изделие предприятия,
выбирают критерии оптимизации технологических решений, непо-
средственно решают конкретные задачи автоматизированного проек-
тирования ТП и на основании опыта этих решений дополняют базу
данных САПР ТП (например, заносят в библиотеку подпрограмм
пользователя гибкие циклы рабочих управляющих программ для
оборудования с ЧПУ, многократно сокращающие их объем). Органи-
зационно технологи-системщики обычно являются сотрудниками
соответствующих отделов предприятия (САПР, новой техники,
механизации и автоматизации Производства) , а технологи-пользова-
тели — технологических бюро цехов [8].
Для обеспечения эффективности САПР ТП ГТД при выборе среди
имеющихся в архиве ЭВМ, приобретении новых систем в различных
организациях, их адаптации к особенностям конъюнктуры предприя-
тия и выпускаемых им изделий, при составлении собственных алго-
ритмов и программ важно обеспечивать следующие свойства этих
систем: информационную согласованность, открытость, модульность
и комплексность.
Наиболее важное свойство — информационная согласованность
САПР ТП ГТД, как внутренняя (между частями системы) так и
внешняя (на входах и выходах системы). Она резко сокращает объем
информации, вводимой вручную технологом-пользователем. Именно
эта операция автоматизированного проектирования часто в основном
увеличивает сроки и затрудняет применение САПР ТП пользовате-
лями, одновременно чрезмерно завышая требования к их компь-
ютерной грамотности.
174
Особенно целесообразно обеспечивать внешнюю информационную
согласованность на выходе САПР ТП ГТД на современных предприя-
тиях авиадвигателестроения, широко применяющих оборудование с
ЧПУ, а в перспективе — гибкие переналаживаемые приспособления
с ЧПУ и роботы. САПР ТП могут выдавать рабочие (готовые к вводу
в устройства ЧПУ) управляющие программы в стандартных кодах,
например в коде ISO, причем адагпирсванные к особенностям имею-
щегося оборудования, а также его наладки на конкретную операцию,
которую система спроектировала. Управляющие программы могут
записываться в память ЭВМ и по вызову технолога-пользователя или
наладчика производственного участка передаваться в устройство
управления технологическим оборудованием. Эта передача информа-
ции в наиболее совершенных системах САПР ТП осуществляется
непосредственно (по электрическому или более быстродействующему
и помехоустойчивому оптико-волоконному кабелю) либо с помошью
автономных программоносителей типа кассет с памятью на магнит-
ных доменах, дискет, перфолент, выбираемых в зависимости от
имеющихся на данном устройстве ЧПУ блоков ввода управляющих
программ. Непосредственная передача управляющих программ резко
сокращает подготовительно-заключительное время операций и пото-
му актуальна для опытного и мелкосерийного автоматизированного
производства ГТД, но его реализация требует соответствующих
капитальных затрат на линии автоматической передачи информации.
Применение автономных программоносителей удобнее для цехов с
часто изменяющейся планировкой расстановки оборудования.
В понятие информационной согласованности на выходе САПР ТП
входит также возможность получать из ЭВМ любые технологические
решения в законченном виде: готовые маршрутные технологии,
карты технологических операций, чертежи специальной технологи-
ческой оснастки (с рациональным использованием хранящихся на
складах предприятия материалов, заготовок, нормализованных
элементов приспособлений и инструментов или элементов специаль-
ной технологической оснастки, снятой с производства).
Информационная согласованность на входе САПР ТП, автомати-
чески учитывающая информацию о текущем состоянии оборудования
и всех складов предприятия, обеспечивает гибкость САПР ТП, резко
ускоряет производственный цикл и снижает себестоимость изделий,
весьма быстро окупая сравнительно небольшие затраты на создание
этой системы на предприятии. Кроме того, информационная согласо-
ванность на входе — мощное средство сокращения достаточно сложно-
го и утомительного процесса подготовки технологом-пользователем
по рабочим чертежам и техническим условиям новых изделий гро-
моздкой исходной информации, вводимой вручную (операция ручно-
175
го ввода обширной информации может сопровождаться ошибками,
обнаружение которых, в свою очередь, трудоемко).
В перспективе согласованность на входе и выходе обеспечит
автоматизацию ввода исходной информации об изделии из быстро
развиваемых в настоящее время САПР К (конструктора), которые
имеются в большинстве КБ. Объединяя входы и выходы САПР ТП
ГТД с соответствующими дополнительными выходами и входами
САПР К, получают интегрированную систему с уникальными воз-
можностями (см. разд. 8.4).
Открытость САПР ТП предусматривает возможность их моди-
фикации и наращивания технологами предприятия. Она необходима
ввиду частой сменяемости конструкций ГТД, выпускаемых предприя-
тием запасных деталей, узлов и модулей для ремонта ГТД, изделий
по линии конверсии. Соответственно на предприятиях, выпускающих
ГТД, быстро развиваются новые методы получения заготовок, их
обработки, сборки, контроля и технологических испытаний. Это, в
свою очередь, заставляет технологов предприятия непрерывно адап-
тировать САПР ТП ГТД, пополнять ее базу данных, совершенство-
вать алгоритмы (что невозможно в закрытой системе).
Модульность обеспечивает возможность постепенного создания
или модификации САПР ТП ГТД по частям — модулям. Модули
информационно согласованы друг с другом, но могут эксплуатиро-
ваться и автономно (это определение модуля). Поэтому модульность
упрощает отладку и делает возможным немедленное внедрение
каждого модуля в производство с получением от его эксплуатации
экономического эффекта, не ожидая завершения всей системы.
Модульную САПР ТП значительно легче согласовывать информаци-
онно на входе и выходе не только каждого модуля, но и системы в
целом. Облегчается адаптация к новым изделиям и меняющемуся
оборудованию. Например, при замене станка с ЧПУ, для обеспечения
информационной согласованности на выходе часто достаточно в
САПР ТП приобрести или составить самим относительно простой
согласующий модуль — постпроцессор.
Комплексность — охват задач технологического проектирования,
начиная с заготовительных операций, кончая сборкой и испытания-
ми. Рекомендуется обеспечивать автоматизированное проектиро-
вание: 1) ТП изготовления деталей и узлов самих изделий; 2) специ-
альной технологической оснастки (приспособлений, инструментов,
средств измерения); 3) ТП изготовления этой оснастки (Г.К. Горанс-
кий). Комплексность подразумевает также охват всех уровней проек-
тирования технологического процесса по степени детализации: 1)
принципиальной схемы (ПС); 2) маршрута (М); 3) операция (О); 4)
управляющих программ для оборудования с ЧПУ и роботов (УП).
176
Комплексность важна для оптимизации стратегии технологической
подготовки производства новых изделий на сдерживающих ее учас-
тках, максимально сокращает ее длительность. Только комплексные
САПР ТП позволяют выполнить гибкую оптимизацию генерируемых
технологических решений по конечным показателям эффективности
изготовления каждой партии изделий. Наконец, комплексность
необходима для реализации перспективной задачи (см. разд. 8.4)
использования резервов -САПР ТП ГТД по резкому увеличению
ресурсами надежности новых изделий, поскольку прочность и долго-
вечности деталей и узлов ГТД зависят от состава, параметров и
последовательности методов изготовления каждой высоконагружен-
ной детали или узла, начиная с заготовительных операций, кончая
сборкой й технологическими испытаниями.
Самьск важным элементом любой САПР ТП, определяющим
эффективность ее применения к изделиям предприятия для решения
комплекса поставленных задач, является метод построения ее алго-
ритмов и базы данных. Поэтому перейдем к изучению этих методов.
8.2.	МЕТОДЫ ТИПИЗАЦИИ
Методы типизации (МТ) заключаются в построении
информационно-поисковой системы, алгоритм которой выбирает в
базе данных САПР ТП наивыгоднейшие технологические решения- Т
по введенному в ЭВМ пользователем комплексу признаков К принад-
лежности новой детали к определенной классификационной группе
деталей. В базу данных технологи-системщики заранее заносят
технологические решения, обобщающие результаты ручного проекти-
рования опытными технологами ТП для деталей аналогичного типа.
Для удобства пользователя на экране дисплея САПР ТП запрашива-
ет признаки К новой детали: в форме меню классификационных
кодов (кодировочная таблица), указания диапазонов значений пара-
метров детали или задаваемых параметров технологического процес-
са.
Применяют три разновидности МТ, отличающиеся принципами
формирования классификационных признаков К и обобщения техно-
логических решений: МТА, МТТ, МТГ. Здесь последняя буква
означает использование занесенного ранее в базу данных технологи-
ческого процесса: А — детали-аналога, Т — типового, Г — группового.
Типовой ТП — технологический процесс, обобщенный на классифи-
кационную Труппу деталей с совпадающими как конструктивными,
так и технологическими признаками. Групповой ТП — технологичес-
кий процесс, обобщенный на классификационную группу деталей с
обязательным совпадением только технологических признаков ТП.
177
MT A — самая простая разновидность методов типизации, с кото-
рой целесообразно начинать построение САПР ТП, постепенно
преобразовывая принципы обобщения технологических решений в
более универсальные МТТ (охватывающие важнейшие типовые
детали ГТД: лопатки, диски, валы, крыльчатки, форсунки), аватем
в более гибкие принципы МТГ (для объединения в группы о обоб-
щенными технологическими решениями весьма разнообразных по
конструкции деталей двигателей: зубчатые колеса, специальные
крепежные детали, оболочки, трубопроводы, кронштейны,/рычаги
и т.д.).	/
В МТА технолог-системщик комплектует классификационную
группу деталей так, чтобы по минимально возможному числу при-
знаков К пользователь вызвал из базы данных на экран дисплея
нужное ему технологическое решение Т (например, чертеж заготов-
ки, технологический маршрут, операционную карту, конструкцию
специального приспособления), разработанное опытным технологом
для ранее выпускавшейся детали, похожей на новую (аналог). Это
технологическое решение Т должно быть удобным как исходное. В
систему включаются программные средства и база данных для редак-
тирования на экране дисплея исходного Т с целью быстрого преобра-
зования его технологомчтользователем в решение Т для новой детали
(например, полуавтоматический расчет новых режимов резания,
нормирование операций, расчет инструментов, приспособлений). Для
этого в алгоритм и базу данных САПР ТП технологи-системщики
включают универсальные методики технологических расчетов и
данные справочников. Используют универсальные системы типа
АВТОКАД для редактирования чертежей заготовки, технологической
оснастки. Строят информационно-поисковую систему для обеспе-
чения технологу-пользователю возможности эффективного примене-
ния имеющихся на складах предприятия нормализованных деталей
и даже морально устаревшей специальной оснастки, снятых с произ-
водства деталей, которые после небольшой доработки можно исполь-
зовать для новой детали. Кроме того, в систему включаются обычно
универсальные технические средства для выдачи на печать или
вычерчивания отредактированной текстовой и графической техноло-
гической информации.
В свою очередь полученный описанным методом опытным техно-
логом-пользователем технологический процесс можно использовать
в качестве дополнительного аналога А. При достаточно большом
наборе ТП деталей-аналогов возможны более узкие классификацион-
ные группы К, точнее приближающие исходные технологические
решения' к возможной номенклатуре новых изделий. Создаются
предпосылки для их обобщения и внесения в базу данных технологи-
178
ческих решений в форме типовых (МТТ) или групповых (МТГ)
технологических процессов. Так, для автоматизированного проекти-
рования операции точения дисков компрессора, конструкция которых
в основном отличается только числовыми значениями геометрических
параметров, эти параметры заменяют переменными (D(l), Z(l) и
т.п.). Соответственно на экран дисплея можно вызывать сформиро-
ванный технологом-системщиком обобщенный операционный эскиз
обточки диска компрессора, например на токарно-карусельном одно-
стоечном станке с ЧПУ 1А512МФЗ. Это начало формирования про-
стейшего типового технологического процесса для дисков компрессо-
ра. Далее технологу пользователю обеспечивается возможность
параметрической настройки типового решения: ввода конкретных
числовых значений <Z>(1), Z(l) и т.д.) для новой детали. Эти значе-
ния ЭВМ расставляет на операционном эскизе и уточняет его изобра-
жение, делит на зоны срезаемый припуск (каждая зона отмечена на
эскизе специальной штриховкой). Для их показа тонкими линиями
на эскизе изображается вычисляемый ЭВМ контур заготовки нового
диска. Технолог может отредактировать типовое решение, например,
изменить последовательность обработки зон (указана номером зоны),
изменить число подводимых опор и их расположение в зависимости
от жесткости нового диска.
Примером более высокого уровня обобщения типовых технологи-
ческих решений методом МТТ является САПР ТП компрессорных
лопаток [5]. Предусмотрены все четыре уровня детализации автома-
тизированного проектирования ТП: 1) принципиальной схемы (ПС),
2) маршрута (М), 3) операционной технологии (ОТ), 4) выпуска
технологической документации и управляющих программ для стан-
ков с ЧПУ.
Для уровня ПС на основании анализа технологических процессов
изготовлявшихся ранее компрессорных лопаток в базу данных занесе-
на обобщенная ПС. Это упорядоченное объединение 17 возможных
этапов обработки О), которые у различных лопаток встречались в
разных сочетаниях. Напомним, что этап — это совокупность однород-
ных операции (их всегда можно выделить, имея маршрутную техно-
логию). Технолог-пользователь, вводит с помощью дисплея по запро-
су системы конструктивно-технологические признаки К (табл. 8.1)
новой лопатки. По К автоматически (на самом деле с помощью
информационно-поискового алгоритма) САПР ТП, анализирующая
К, вызывает на экран дисплея подходящую для новой лопатки инди-
видуальную ПС технологического процесса.
Так, для лопатки с L — 70 мм, заготовка которой получается
методом ВСШ, позволяющим обеспечить припуск по перу Zn =
- 0,1...0,2 мм (на сторону), с применением в качестве вспомогатель-
179
Таблица 8.1
Запрос конструкторско-технологических признаков
компрессорной лопатки в системе
Запрашиваемый признак	’’Меню” выбираемых значений
Способ получения заготовки	Высокоскоростная штамповка (ВСШ) Изотермическая штамповка (ИТШ) Объемная штамповка (ОШ) Поковка (ПК)
Габаритная длина L Тип технологической бобышки	< 40; 40.. 100; 100..250	 Прямоугольная (ПБ) Цилиндрическая (ЦБ) Конус (КБ) Реперная просечка (РП)
Припуск по перу Zn Вальцуемость	0.1..0.2; 0.2..О.5; 0.5..Г, 1..1.5.... Вальцуемый (Д) Невальцуемый (НД)
ной технологической базы (бобышки), реперной просечки (РО систе-
ма найдет принципиальную схему ТП:
ПС = < э", э3ХЕ, э™, э26, э5п >,
этапы которой соответственно означают: подготовка пера, оконча-
тельная обработка хвостовика, обработка выборок на хвостовике,
отрезка технологической бобышки, окончательная обработка пера.
Ввиду очень малого припуска на пере система рекомендует включе-
ние в первый этап операции автоматического поиска оптимального
положения пера с фиксацией достигнутого положения пера в специ-
альной кассете (заливкой легкоплавким технологическим материалом
или с помощью подводимых опор). В последующих двух этапах
обработки хвостовика лопатки установка выполняется по базовым
поверхностям этой кассеты.
Анализ табл. 8.1 показывает, что технолог задает не только
параметры чертежа детали, но сам решарт и указывает ЭВМ, каким
методом будет получена заготовка, какой у нее будет общий припуск
и технологическая бобышка. Автоматическое определение этих
180
технологических признаков для лопаток трудно поддается формали-
ции. Но произвольно меняя их, пользователь может быстро оценить
разные варианты и выбрать наивыгоднейший.
Уровень (ТМ) автоматизированного проектирования технологичес-
кого маршрута имеет значительно больше вариантов, чем уровень
ПС. Чтобы упростить алгоритм в базу данных заносится семь обоб-
щенных ТМ, выбираемых по сочетанию всего двух признаков, вве-
денных пользователем {типа конструкции хвостовика ЛХ1, ЛХ2, ЛХЗ
и метода получения заготовки лопатки, см. табл. 8.1):
Признаки К	ПК	ОШ	ишт	всш
ЛХ1	ОМ1	ОМ2	омз	ОМ4
ЛХ2 или ЛХЗ	ОМ2	ОМ2	ОМ2	—
Например, для сочетания признаков ЛХ1 (хвостовик типа ’’лас-
точкин хвост”, плоскость симметрии которого наклонена к оси вра-
щения) и ПК (заготовка — поковка) будет взят обобщенный маршрут
ОМ1. Далее для выборки из ОМ1 индивидуального маршрута у
технолога запрашивается длина пера Ln. Если Ln < 100 мм, то. пред-
лагается выбрать один из двух методов обработки хвостовика: на
станке с ЧПУ или на агрегатном станке. Затем предлагается выбрать
метод обработки пера*, электрохимический (ЭХО) или фрезерованием
на станке с ЧПУ или на универсальном копировальном станке. Если
введен признак ЭХО, то вариант индивидуального технологического
маршрута алгоритму ясей и он выводит его на печать (вариант Ml).
Если технолог выберет фрезерование (например, ЧПУ), то система
спросит, трактовый угол хвостовика лопатки больше ли 5°. Если
ответ ”да”, то выбирается решение М2: переходная поверхность от
пера к замку фрезеруется в отдельной операции. Всего из обобщенно-
го маршрута ОМ1 система может генерировать 20 вариантов индиви-
дуальных технологических маршрутов.
МТГ — разновидность метода типизации, ориентированная на
объединение в классификационные группы деталей, которые могут
сильно отличаться по конструкции. Достаточно только, чтобы, по
крайней мере, в части технологического процесса детали имели
общие технологические решения Т. Такие части технологического
процесса называют групповыми. Групповыми могут быть весь техно-
логический процесс, этап ТП, операция, наладка станка, приспособ-
ления и инструменты (например, приспособление со сменной налад-
кой, групповые наладки унифицированных быстропереналаживаемых
приспособлений или инструментов).
181
Рекомендуется следующая последовательность работ по созданию
САПР ТП по методу МТГ.
1.	Опытные технологи, анализируя ранее спроектированные
технологические процессы на предприятии, на основе общности
технологических решений комплектуют возможные варианты класси-
фикационных групп деталей. Сначала детали объединяют по общнос-
ти технологических решений для частей операций, затем по общнос-
ти деталеопераций, по общности охвата смежных операций в техно-
логическом маршруте и, наконец, по общности технологических
маршрутов ‘(незначительные отклонения допускаются).
2.	Для признанных технологом наиболее удачных групп конструи-
руется комплексная деталь. Это может быть наиболее сложная деталь
группы или специально спроектированная условная деталь, которая
имеет все элементы деталей группы (или часть элементов конструк-
ции, обеспечивающих общность групповых технологических реше-
ний). Отличающиеся величины параметров деталей заменяются в
чертенке комплексной детали переменными.
3.	Для комплексной детали опытные технологи-системщики
составляют групповые технологические решения Т, заносят их в базу
данных САПР ТП и составляют алгоритмы информационно-поиско-
вой системы, которая отыскивает Т в базе данных по классификаци-
онным признакам К новой детали (табл. 8.2).
По сравнению с МТТ метод МТГ отличается гибкостью. Он
позволяет для одной и той же детали получать в ЭВМ большее число
альтернативных вариантов. Но стремление технологов-системшиков
к универсальности (увеличение номенклатуры деталей, охватывае-
мых групповым технологическим решением) может резко усложнить
чертеж комплексной детали. Это затрудняет технологу-пользователю
ввод необходимых исходных данных для новой детали. Поэтому
рекомендуется добиваться универсальности и гибкости, увеличивая
число классификационных групп, сужая части технологического
процесса, охватываемые каждой группой, и меняя состав деталей
группы. В таких САПР ТП на разных частях своего технологического
процесса деталь может входить в разные группы (и даже в несколько
групп одновременно). Но при этом усложняется алгоритм. Для
слишком разнообразных по конструкции деталей комплексная-деталь
и алгоритм МТГ усложняются настолько, что становится целесооб-
разным изменить принципы построения информационно-поисковой
системы САПР ТП, применяя методы синтеза.
182
Таблица 8.2
Алгоритм выбора (1) или исключения (О) перехода
в обобщенной последовательности переходов
обработки комплексной детали группы (по С.П. Митрофанову)
Примечание: Подр. — подрезка; Обт. — обточка; Раст. — расточка; Св. — свер-
ление; Отрез. — отрезка
8.3.	МЕТОДЫ СИНТЕЗА
В методе синтеза (МС) вводимая технологом-пользовате-
лем информация К о ноной детали в основном состоит из совокупнос-
ти классификационных признаков и параметров типовых конструк-
тивных элементов, на которые мысленно разделяется эта деталь.
Лишь небольшая часть вводимых признаков К отражает классифика-
ционные особенности детали в целом, как в методе МТ (наименова-
ние, общая термообработка, вид заготовки и т.д.). Для указанных
типовых элементов конструкции детали'на основании анализа ранее
спроектированных вручную опытными технологами ТП технологи--
системщики заносят соответствующие элементарные типовые техно-
логические решения Т для многократного использования опыта
ручного проектирования технологических процессов. Причем за
183
каждым решением Т закрепляются значения классификационных
признаков, по которым оно может быть вызвано из базы данных. Из
элементарных технологических решений алгоритм системы синтези-
рует искомое технологическое решение для новой детали, наивыгод-
нейшее по одному из указанных пользователем критериев (например,
минимальной себестоимости).
Поскольку количество различных типов конструктивных элемен-
тов в несколько тысяч раз меньше количества типов огромного
многообразия конструкций деталей ГТД, в тысячи раз экономится
потребная для базы данных САПР ТП память запоминающих
устройств и сокращается работа технологов-системщиков предприя-
тия по ее заполнению. Или при одинаковом объеме базы данных
САПР ТП в тысячи раз увеличивается номенклатура деталей, для
которых может быть выполнено автоматизированное проектирование
технологии.
Соответственно алгоритм самой системы усложняется так, что
обычно создатели этих алгоритмов включают в алгоритм выбор
технологом-пользователем наиболее трудно формализуемых решении.
Используют три формы диалога: под управлением ЭВМ, под управле-
нием технолога и смешанную. В первом случае, когда появляется
необходимость решения неалгоритмизированной части задачи техно-
логического проектирования, ЭВМ выводит на экран модуль запроса
с формулировкой этой задачи. Технолог решает ее вручную на
основе своего опыта и пользуясь базой данных системы как электрон-
ным справочником, а также внесенными в нее универсальными
методиками, используя ЭВМ как электронный справочник и простой
вычислитель. Ответ своего решения технолог вводит в ЭВМ. На
основе полученной информации система продолжает дальнейшее
проектирование. Во втором случае технолог сам прерывает автомати-
ческий режим проектирования на основе получаемой промежуточной
информации с экрана дисплея, редактирует эти результаты и запус-
кает продолжение проектирования ТП системой.
Имеются два способа мысленного разделения конструкции изго-
тавливаемой детали на типовые элементы (с элементарными техноло-
гическими решениями): 1) типовые участки поверхности, 2) типовые
элементы объема. В разработанных САПР ТП механической или
физико-химической обработки деталей из заготовок, материал кото-
рых за пределами поверхностного слоя более или менее однороден,
в качестве конструктивных элементов, на которые мысленно разде-
ляется любая деталь, принимают типовые участки ее поверхности.
Эти участки поверхности берутся в двух разновидностях: элементар-
ные поверхности (цилиндрическая, плоская и т.д.) и типовые сочета-
ния элементарных поверхностей (канавка, шлицы и т.д., главным
образом объединяемые из условия возможности обработки в одном
переходе).
184
Но для проектирования ТП изготовления деталей ГТД из неодно-
родных и анизотропных материалов (например, из новейших компо-
зиционных материалов типа углерод-углерод со сложным законом
армирования, армированных пластиков, листовых материалов, отли-
вок с направленной кристаллизацией или монокристаллических)
геометрические и другие характеристики элементов поверхности
часто недостаточны для определения рациональных элементарных
технологических решений. Здесь целесообразнее мысленно расчле-
нять деталь на типовые элементы объема. Анализ примеров таких
систем (в частности, разработанной в МАИ системы, синтезирующей
ТП изготовления сварных оболочек вращения из ТП для элементов
объема) показывает, что на них часто можно обобщить принципы
построения алгоритмов систем, с первым способом расчленения
детали (на элементы поверхности). Поэтому здесь для изучения
алгоритмов МС мы ограничимся рассмотрением САПР ТП,
разработанной В.Д. Цветковым, принимающим типовые участки
поверхности.
Технолог-пользователь мысленно расчленяет изображение задан-
ной детали на конструктивные элементы в соответствии с принципа-
ми классификации используемой САПР ТП и описывает их в терми-
нах принятой системы. Например, для шлицевого валика на рис. 8.1:
1 « ТОРЕЦ1; D30; Rz40; /ф; 3x45.
2 = ЦИЛ2; D30; L50; Ral.25; ТВЧ. h(0.8..1.2), HRC(45..5O).
3 = ТОРЕЦ2; D40(215).
Рис. 8.1. Фрагмент чертежа шлицевого валика к примеру построения информацион-
ной модели детали методом синтеза (по В.Д. Цветкову)
185
4 = ЦИЛ2; D40(215); L50; Ra0.32/R5.
5 = Т0РЕЦ2; D100.	(8Л)
б = ЦИЛ1; D100...
11 = ШЛИЦ12; 28; d36; D40; L30<213).
12 = ПА311; B16; H8.
13 = -ЦИЛ1; DIO; L34...
Здесь термины ТОРЕЦ, ЦИЛ, ШЛИЦ, ПАЗ — сокращенные
названия типа конструктивного элемента. Знак ’’минус” перед опре-
делением поверхности 13 означает, что поверхность внутренняя
(отверстие). За наименованием элементарной поверхности (ТОРЕЦ,
ЦИЛ) следует классификационная цифра, отражающая условия
доступа инструмента; I — открытая, 2 — полуоткрытая (доступ с
одной стороны закрыт, нет места для выхода инструмента), 3 —
закрытая. За наименованием ШЛИЦ первая цифра характеризует их
форму (/ — прямоугольные, 2 — эвольвентные и т.д.), а вторая
классификационная цифра означает: 1 — открытые, 2 — полуоткры-
тые с радиусным выходом фрезы или шлифовального круга, 3 —
полуоткрытые с канавкой для выхода инструмента (можно строгать,
долбить и тщ.). За наименованием ПАЗ: первая цифра 1 — прямоу-
гольного сечения, вторая цифра 1 — открытый. Трехзначными циф-
рами в скобках кодируются посадки (например, квалитет или класс
точности, расположение поля допуска).
Далее технолог-пользователь вводит в ЭВМ описание конструк-
тивных и размерных связей между конструктивными элементами
(табл. 8.3). Конструктивные связи: соединение — и, отсечение — \,
пересечение — к. Их разновидности указываются цифрой индекса.
Смысл приведенных в табл. 8.3 обозначений конструктивных и
размерных связей можно установить, сопоставляя их с рис. 8.1.
Например, — соединение соосных конструктивных элементов; it2 —
пересечение конструктивных элементов с перпендикулярными осями.
Особое технологическое значение имеет конструктивная операция
отсечения. Поверхностям детали в соответствии с возможной очеред-
ностью их обработки в режиме диалога технолога с системой присва-
ивается (или автоматически ЭВМ вычисляет) ранг. Поверхности
186
Таблица 8.3
Описание конструктивных и размерных связей
между типовыми поверхностями детали (по В.Д. Цветкову)
№№	поверх- ность	связь	№№	поверх- ность	связь	№№	поверх- ность	связь
1	2	и, 3	х50 5	л-100 9	Х180 2	3ц ОХ ей 0,05			4	11	\1 5	ц 5	6ц 7	х16			6	12	\5 12	13	\2 13	10	тс2		
ранга I — основные. Они могут быть обработаны в первую очередь.
После операции отсечения система автоматически увеличивает ранг
поверхности на единицу. Так, основная поверхность 4 (см. рис. 8.1)
имеет ранг 1. С ней операцией отсечения \1 .связана шлицевая
поверхность 11 (индекс 1 свидетельствует об их соосности). По этой
информации алгоритмы системы автоматически присваивает шлицам
11 ранг 2. Аналогично, паз /2, имеющий ранг 2, может фрезеровать-
ся только после обработки цилиндрической поверхности б, так как
он от нее отсекается <\5 означает отсечение соосного элемента
конструкции). Расположенное на дне паза 12 отверстие 13, которое
отсекается операцией \2 (индекс 2 означает, что оси конструктивных
элементов перпендикулярны) имеет ранг 3, следовательно, оно
обрабатывается после паза.
Детализация процесса автоматизированного проектирования ТП
на уровни ПС, М, ОТ, УП в методе синтеза такая же, как в МТ (см.
разд. 8.2).
В базу данных, как в МТ, заносится 13 этапов обобщенной при-
нципиальной схемы процесса обработки любых деталей, например:
91 — получение и термообработка заготовки.
92	— черновая обработка.
93	— термообработка (улучшение, старение).
94	— получистовая обработка. 95 — цементация.
96	— срезание цементационного слоя....
98 — чистовая обработка (7—9 квалитет, Ra > 0,32 мкм)....
911 — чистовая обработка (6—7 квалитет, Ra > 0,16 мкм)....
912 — гальванический. 913 — доводочный (Ra > 0,04 мкм).
По введенной информации технолога-пользователя о конструктив-
ных элементах детали система вычисляет (синтезирует) часть класси-
187
Таблица 8.4
Алгоритм выбора этапов и переходов для достии<ения заданной точности
поверхности вращения (по В.Д. Цветкову)
Признаки К	Этапы	Технологические переходы (маршрут)			
(условия выбора)	Э4	Точение	Точение	Точение	Точение
	Э8	-	Шлифование	—	Шлифование
	ЭН	-	—	Шлифование	—
	Э13	-	-	-	Доводка
Квалитет точности		11	7	6	9
Шероховатость Ra, мкм		2,5	1,25	0,63	0,04
Улучшение, закалка		—	есть	—	есть
фикационных признаков детали в целом и присоединяет их к части
классификационных признаков детали в целом, вводимых техноло-
гом. Далее эта совокупность классификационных признаков детали
в целом используется на стадии проектирования принципиальной
схемы ТП алгоритмом системы близко к тому, как это делалось в
рассмотренном выше методе МТ (табл. 8.4).
При цредохранении поверхностей от цементации назначается
дополнительный переход точения в этапе 96. Это делается по соот-
ветствующему признаку (детали в целом), введенному технологом.
Но есть признаки ТП детали (в целом), которые автоматически
вычисляются ЭВМ по алгоритму, характерному и для метода синтеза.
Например, включение отдельного этапа черновой обточки Э2 вычис-
ляется по отношению суммарной длины черновых проходов при
обработке всех наружных поверхностей детали к ее габаритной длине
I:
к
т = w/ + i " dt>’’ f = 22 <тГ1о?!1п,	<8-2)
где к — число обрабатываемых начерно поверхностей, i — номер
поверхности (ступени), lQi — расстояние от торца детали до i-й ступе-
ни, включая ее длину. На 2-м уровне детализации обобщенный
технологический маршрут представляется не только как последова-
тельность операций (как в МТ), но и как совокупность переходов
обработки всех конструктивных элементов, из которых состоит
рассматриваемая деталь. Поскольку их компоновка в операциях
имеет варианты, общее число возможных вариантов индивидуальных
188
технологических маршрутов, выбираемых из обобщенного в МС,
резко увеличивается. Окончательный вариант в диалоге с системой
выбирает технолог. В остальном алгоритм выбора индивидуального
маршрута из обобщенного аналогичен методу МТ. Выбор каждого
типового технологического элементарного решения Т определяется
результатом вычисления логического выражения:
Nj
ВО (к) = U
/ = 1
(8.3)
где В — логическая переменная; i — номер логического условия,
которое должно соблюдаться (true); Л?г- — число одновременно соблю-
даемых условий; Nj — число альтернатив.
Если ВО(.к) - true, то соответствующее технологическое решение
вызывается из базы данных. Например, выбор типа токарной опера-
ции осуществляется по алгоритму табл. 8.5.
Далее составляют алгоритм допустимых последовательностей
выбранных операций для новой детали по условиям: доступности зон
обработки, точности их взаимного положения и т.д. <см. табл. 8.3).
Таблица 8.5
Алгоритм выбора типа токарной операции (по В.Д. Цветкову)
ВЦ)	Условие выбора			Тип операции		
	типа операции: ВО(к) = П B(i) « = 1			Т(1)	Т(2)	Т(3)
Б(1)	Длина детали,	ММ £		140	250	2300
_В(2)	Заготовка,	Индивидуальная	Втулки	30	250	300
	диаметр		Диски	30	500	550
	£	Групповая	Втулки	36	80	180
			Диски	36	80	250
В(3)	Квалитет			11	9	7
_В(4)	Шероховатость, мкм i			2,5	2,5	1,25.
В(5)	Несоосность 2			0,10	0,05	0,03
В(6)	Число обрабатываемых поверхностей i			4	3	1
В(7)	Размер партии			150	50	1
Примечание: Т(1) — автоматная; Т(2) — револьверная; Т(3) -—универсальная
189
В совокупности эти алгоритмы могут генерировать последовательнос-
ти операций индивидуальных маршрутов, отличающиеся от последо-
вательности операций в обобщенном маршруте. Окончательный
выбор в диалоге с системой опять выполняет пользователь, после чего
система переходит к 3-му уровню проектирования: синтезу операци-
онной технологии.
Наиболее полно достоинства метода синтеза проявляются на 3-м
и 4-м уровнях детализации автоматизированного проектирования:
операционной технологии и управляющих программ для станков
с ЧПУ.
Например, при автоматизированном проектировании операции
проточки канавки i-ro конструктивного элемента детали, обобщенный
эскиз которого показан на рис. 8.2, а, алгоритм МС выбирает один
из четырех вариантов типовых технологических решений Т<г) для
переходов чернового точения (припуск t(i) = DH{i) —
если (t(i)	5 и L(i) =<30), то Т<1);
если (t(i) <. 5 и L(i) > 30), то Т(2);
• если (t(i) 2: 5 и L(i) = <30), то Т<3);	(8.4)
если (t(i) > 5 и L(i) > 30), то Т<4),
1де Т <1) —• проточка канавочным резцом с использованием продоль-
ной подачи; Т<2) — то же + точение проходным резцом; Т(3) —
последовательное многократное радиальное врезание на всю глубину
канавочным резцом; Т<4) — однократное врезание канавочным
резцом с последующей обработкой проходным резцом.
Показаны операционные эскизы для решений Т (3) (рис. 8.2, б) и
Т<4) (рис. 8.2, в), а также операционные эскизы переходов чистового
точения для решения Т(5) (рис. 8.2, г). Решение Т(5) одинаково для
всех условий (8.4). На операционных эскизах даны образцы траекто-
рии настроечной точки соответствующих инструментов с указанием
номеров опорной точек траектории. Фактически число проходов
вычисляется алгоритмом МС (например, как частное от целочислен-
ного деления t(D на глубину резания).
Анализ приведенных алгоритмов методов МТ и МС показывает
возможность их органического сочетания в единой системе САПР ТП
ГТД. Причем алгоритм МТ, использующие в качестве информацион-
ной модели изделия классификационные признаки детали в целом,
наиболее эффективны (по степени автоматизации и ускорения про-
190
S)
Рис. 8.2. Генерирование методом синтеза переходов проточки канавки на стайке с
ЧПУ:
а — обобщенный эскиз протачиваемой канавки; б, в, г — примеры типовых технологи-
ческих решений Т(3), *Г(4), Т(5)
цесса проектирования) на 1-ми частично 2-м уровнях детализации
ТП: (ПС и М). На последующих уровнях детализации’ТП эффектив-
нее методы синтеза. Примером успешного сочетания методов типиза-
ции и методов синтеза является модульная Комплексная автоматизи-
рованная система технологической подготовки производства (”КАС
ТПП”, Г.К. Горанский и Э.И. Бендерева). Она охватывает проекти-
рование ТП изготовления •деталей (вплоть до управляющих программ
станков с ЧПУ), сборку из них изделий, проектирование специаль-
ной технологической оснастки (приспособления, инструмент, режу-
щий и мерительный), проектирование ТП изготовления специальной
технологической оснастки.
Однако базовый принцип методов МТ и МС — многократное ис-
пользование занесенных в базу данных исходных технологических
решений Т, полученных в результате ручного проектирования опыт-
ными технологами, делает возможным генерирование для новых
деталей технологических пропессов, оптимальных только по крите-
риям эффективности самого производства. Для автоматизированного
проектирования технологии изготовления деталей ГТД этоео недоста-
точно. Для них часто важнее обеспечить многократное увеличение
срока службы и надежности (см. разд. 8.1). Поэтому рассмотрим еще
один метод САПР ТП ГТД: прямого расчета Т по математическим
моделям (ММ) [10].
191
8.4. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Принципиальная особенность методов математического
моделирования САПР ТП ГТД в том, что в базу данных вносится не
опыт ручного проектирования ТП, а система математических моде-
лей, отражающих изменения геометрии, полей физико-химических
параметров при обработке детали и их связь с характеристиками ее
работоспособности и долговечности. Соответственно такому наполне-
нию базы данных меняется и алгоритм. Он осуществляет непосред-
ственный расчет по этой системе математических моделей, включаю-
щий выбор методов изготовления, определение наивыгоднейших
параметров операций, управляющих программ и (что присуще только
этому методу-) алгоритмов адаптивного управления ТП. Но самое
главное, в методе ММ в качестве критериев оптимальности генериру-
емых технологических решений Т могут использоваться такие пока-
затели эксплуатационных качеств детали, как ее долговечность,
прочность и др.
Из-за чрезвычайной сложности и неявного характера зависимости
характеристик работоспособности у детали от технологических Т,
конструктивных К и эксплуатационных Ех факторов, влияние кото-
рых взаимосвязано, идентификация комплексной системы математи-
ческих моделей, определяющих в совокупности искомую зависимость
у = у{К, Т, Ex'!,	(8-5)
пока находится на стадии развития. Тем не менее изучение рассмат-
риваемой методики ММ актуально: во-первых, с учетом перспективы;
во-вторых, как показал опыт, даже автономное применение отдель-
ных моделей (8.5) на предприятиях (примеры будут рассмотрены
ниже) уже давало существенный эффект по многократному увеличе-
нию ресурса и надежности наиболее нагруженных деталей ГТД.
Имеются две разновидности метода ММ; ММА (А — аналитичес-
кий) и ММЭ (Э — экспериментальный расчетно-статистический).
ММА использует для моделирования аналитические методики,
базирующиеся на основных закономерностях геометрии, физики и
химии с учетом граничных условий, отражающих особенности данной
детали и ТП ее изготовления.
Специфика рабочих процессов и конструкции ГТД такова, что
достижение оптимальных удельных параметров, высокой надежности
и ресурса главным образом зависит от ТП, обеспечивающих получе-
ние наивыгоднейшей геометрической формы н полей фиЗико-хими-
ческих параметров деталей со сложными фасонными поверхностями,
например лопатки осевых турбин, компрессоров, центробежные и
192
диагональные ступени компрессоров, центростремительные турбины;
оболочки сопла, коков, камер сгорания, обтекателей, экранов, турбо-
лизаторов потока газа и т.д.
При обработке сложных фасонных поверхностей поля физико-
химических параметров (поля температур, тензоров напряжений,
пластических деформаций и т.д.) в значительной степени определя-
ются геометрическими закономерностями: сложной траекторией
перемещения обрабатывающего инструмента, изменениями текущих
толщин стенки в зоне обработки, закономерностями изменения поля
припусков (хотя есть и обратная связь этих явлений, учитываемая
при адаптивном управлении). Поэтому в качестве исходных, с кото-
рых целесообразно начать создание алгоритмов ММ, мы рассмотрим
математическое моделирование для САПР ТП на основе геометричес-
ких закономерностей.
Важнейшее требование к геометрической модели — предотвраще-
ние появления технологических концентраторов напряжений, связан-
ных с разрывом производных, оцениваемым порядком производной,
до которой соблюдается равномерная непрерывность. Аналогичные
требования накладывают условия минимальных газодинамических
или гидравлических потерь. Одновременно геометрическая математи-
ческая модель должна позволять точно оценивать фактические
значения углов наклона касательных по массиву измеренных коорди-
нат точек (например, у входной и выходной кромок пера лопатки).
От них зависят углы атаки потока, срывные режимы и др.
Исходные данные для геометрической математической модели
фасонной рабочей поверхности детали могут быть получены двумя
способами: по данным рабочего чертежа детали, заготовки (для
программного управления ТП); по данным фактических измерений
поверхности датчиками в достаточном числе точек (для адаптивного
управления ТП) [8].
В обоих случаях исходные данные дискретные, так что методика
построения геометрической модели для них одинакова. Для опреде-
ленности рассмотрим ее на примере первого способа. При проектиро-
вании геометрической модели для программного управления ТП
исходные данные — массив координат заданных в рабочем чертеже
точек (каркас точек), принадлежащих рассматриваемой поверхности
(в любой ортогональной системе координат: декартова, цилиндричес-
кая, сферическая и др.). Примем в качестве примера декартову
систему координат х, у, z (изменение системы координат по существу
методику не меняет). Через точки каркаса проведем семейство линий
— строк обхода (мысленного) точек каркаса. Выбор семейства строк
обхода при моделировании не влияет на конечный результат: доста-
точно, чтобы они охватывали все точки каркаса. Рекомендуется
7 Зак 1398
193
согласовывать эти строки обхода со способом задания координат
точек каркаса в таблице рабочего чертежа. Например, для лопаток
компрессоров и турбин строки обхода — линии профилей у(х) в
поперечных сечениях пера с постоянными заданными координатами
z. Строки обхода нумеруются по порядку (индекс j) от 1 до Kj (на-
пример, для пера лопатки К] — число заданных сечений пера). Вдоль
каждой строки обхода заданные точки также нумеруются (индекс z,
меняющийся от 1 до Ki). Если строка обхода замкнутая (профиль),
то ее начальная и конечная точки (с i = 1 и i — Ki) совпадают.
В МАИ был разработан быстродействующий алгоритм построения
сплайна, обеспечивающего непрерывность до третьей производной
включительно, при точном соблюдении условий на границах (повер-
хности) различного типа: а) переходные радиусы (в частности,
радиусы кромок лопатки) + углы наклона касательных; б) замыкание
оболочки; в) свободные границы; г) смешанные условия.
Для двухмерных задач геометрического моделирования фасонных
контуров или дуг деталей ГТД (например, профили лопастей крыль-
чаток, сечение дисков сложного профиля, меридиональное сечение
оболочки вращения, сечение линейно-фасонной поверхности кулач-
ков) и технологической оснастки (например, шаблоны, призматичес-
кие и дисковые фасонные резцы, фасонные ролики, фильеры, матри-
цы, вырубные штампы) рекомендуется базовая геометрическая
модель:
у(х) = S(y[z], X) = Xy[z + 1] + (1 - X)y[z] +
+ sqr(A [i]) ((X3 - X)a[i + 1] + ((1 - X)3 - (1 - X))a[i] .
+ (X4-X)Z>[i + 1] + «1-Х)4-	<8'6)
Здесь ~ x[i + 1] — x[z]; x[z], y[z] — введенные в ЭВМ коорди-
наты точек каркаса кривой; X — (х •— хИ)/&[/]; а> Ь — массив пара-
метров, вычисляемых из указанных условий непрерывности и гра-
ничных условий.
Для трехмерных задач геометрического моделирования объемно-
фасонных поверхностей деталей ГТД (например, перо лопатки, канал
крыльчатки) и технологической оснастки (электроды инструменты
для ЭХО лопаток, фигуры штампов, пресс-форм) из базовой модели
получается эффективная модель:
у(х, z) =	л, Z).	<8-7>
194
Рис. 8.3. Генерирование управля-
ющей программы фрезерования
выборки:
а — аппроксимация контура; б —
увеличение припуска вблизи ост-
рых углов фрезеруемого контура;
в — генераторная схема с маятни-
ковым движением фрезы; г — про-
фильная схема с спиральным дви-
жением фрезы
Здесь Z “ (z —	h\j\ =z[/ + l] — z[fl; x[il, z[/|, y[i, 7] —
введенные в ЭВМ координаты точки сетки каркаса, который дискрет-
но задает поверхность (в чертеже детали).
Характерным применением геометрических моделей в методе ММ
САПР ТП ГТД является составление алгоритмов генерирования
управляющих программ для обработки фасонной поверхности на
станках с ЧПУ.
Пусть требуется составить такой алгоритм для .фрезерования
фасонного контура. Действия технологов-системщиков:
1.	Составляется модуль моделирования любых контуров по (8.6).
2.	Аппроксимируется полученный по непрерывной математической
модели (8.6) контур (штриховая линия на рис. 8.3, а) участками дуг,
пригодными для существующих устройств с ЧПУ. Например, для
195
УЧПУ 2С42, имеющих линейно-круговой интерполятор, это должны
быть сопряженные дуги окружностей. Из условия, что линейные
отклонения контура е и величина изменения радиуса кривизны dr =
= r\k + 1] — r[A] не превышают допускаемых пределов, находятся
координаты точек М[к}, границ аппроксимируемых двумя дугами
участков. Аппроксимирующие дуги в этих точках имеют точные
значения радиусов кривизны и углов наклона касательных с кривой
(штриховая линия), вычисляемой по математической модели (8.6),
так что их можно найти аналитически.
3.	Вычисляются настроечные точки к траектории перемещения
центра фрезы (штрихпунктирная линия), обрабатывающей контур,
откладывая (аналитически) на линиях М\к + 1)0 [Л + 1] и М [А] О [А]
отрезки, равные радиусу фрезы Афр. Радиус фрезы ограничивается
требованием; для вогнутых участков Афр < min (г [Л]). Это условие
доступа инструмента ко всем точкам обрабатываемого контура.
4.	Составляется модуль генерирования в кодах ISO управляющей
программы (УП) фрезерования фасонных контуров и вывода УП из
ЭВМ непосредственно в УЧПУ или на автономный носитель (на
основании вычисленной траектории фрезы).
Методы математического моделирования (ММ) в САПР ТП ГТД
целесообразно дополнять методами синтеза (см. разд. 8.3). Поясним
принципы их сочетания на примере обобщения рассмотренной мето-
дики для обработки фасонного контура на алгоритм генерирования
управляющих программ фрезерования в деталях выборок с плоским
дном (колодцы), ограниченных фасонным контуром.
1.	По рассмотренной выше схеме метода ММ составляется алго-
ритм генерирования траектории настроечной точки фрезы на послед-
нем проходе.
2.	Вычисляется шаг между строками настроечной точки фрезы при
фрезеровании дна колодца по алгоритму:
5 = min (51, 52), где 51 — шаг, определяемый из условия получе-
ния заданной чистоты обрабатываемой поверхности; 52 - (Афр —
— r)(l + sin(<p/2)> + dS — ограничение шага между строками из усло-
вия отсутствия черноты в зоне добавочного припуска I...3 (рис. 8.3,
б) на дне фрезеруемой выборки вблизи внутренних угловых участков
с острыми углами <р; г — радиус скругления фрезы в меридиальном
сечении между ее торцом и цилиндрической частью.
3.	Методом синтеза (МС) САПР ТП в базу данных заносятся
типовые схемы расположения строк перемещения фрезы на проходах,
предшествующих последнему, и составляется алгоритм выбора рацио-
нальной схемы в зависимости от конфигурации выборки (аналогично
рис. 8.2). Например, для удлиненных выборок выгодно семейство
строк в виде линий, параллельных какой-либо подаче станка (генера-
196
торная схема на рис. 8.3, в). Для выборок со сложной формой конту-
ра выгоднее семейство эквидистант (профильная схема, рис. 8.3, г).
4.	Аналитически уточняется семейство эквидистант или строк для
исключения повторов и подрезания фасонного контура. Например,
при профильной схеме вычисляются точки самопересечения эквидис-
тант, за пределами которых обработку проводить нельзя. Эти точки
называются вырожденными. Генерирование семейства продолжается
до тех пор, пока все точки вычисляемых эквидистант не станут
вырожденными, — признак, по которому ЭВМ заканчивает генериро-
вание строк.
5.	В соответствии с типовым элементарным решением (это МС)
строки соединяются в единую траекторию фрезы (например, по схеме
’’спирали” (см. рис. 8.3, г) или ’’маятника” (см. рис. 8.3, в).
6.	Составляется модуль генерирования управляющей программы
для станка с ЧПУ по спроектированной траектории фрезы и вывода
УП по запросу технолога-пользователя или наладчика.
При таком автоматизированном проектировании САПР ТП ГТД
может наилучшим образом использовать возможности пятикоорди-
натных станков с ЧПУ для обеспечения высокой надежности деталей.
Например, рассмотренная в разд. 8.2 система на базе МТ для ком-
прессорных лопаток, имеющих трактовый-угол свыше 5°, для опера-
ций обработки пера выделяла обработку переходной поверхности от
пера к хвостовику в отдельный переход или даже операцию, чтобы
обеспечить здесь хорошие условия обработки. Но при этом возникает
стык поверхностей, обработанных на разных переходах. Как показал
многолетний опыт испытаний на усталость лопаток компрессоров в
МАИ, эта зона стыка — опасный технологический концентратор
напряжений, часто скрытый за счет последующей обработки пера.
Метод ММ позволяет быстро генерировать управляющие программы
для однопереходной обработки пера на пятикоординатных станках с
ЧПУ, устраняющие этот концентратор и стабильно сохраняющие
оптимальные условия резания в каждой точке обрабатываемой повер-
хности. .
Несмотря на большие затраты труда и времени технологи-про-
граммисты могут и вручную решить любую из рассмотренных задач
оптимального программного управления технологическими операция-
ми. Уникальные возможности геометрической модели (8.6) или (8.7)
метода ММ проявляются при адаптивном управлении ТП.
Чтобы реализовать адаптивное управление, САПР ТП ГТД до-
лжна предусматривать комплексную компьютеризацию проектирова-
ния, технологической подготовки и управления технологическим
процессом изготовления наиболее ответственных деталей и узлов
ГТД. Можно указать три характерных направления развития адап-
197
тивного управления на базе математических моделей (8.6) и (8.7),
элементы которых пока лишь локально внедрялись на передовых
предприятиях отрасли и даже при таком ограничении доказали
высокую эффективность адаптивного метода:
алгоритмы поиска и обеспечение наивыгоднейшего положения
заготовки при обработке первичных баз;
алгоритмы оптимального управления зажимными и установочны-
ми элементами приспособлений с ЧПУ при обработке нежестких
деталей сложной формы (например, при обработке тонкостенных
дисков компрессора на станках с ЧПУ);
алгоритмы индивидуализированного генерирования управляющих
программ обработки деталей с учетом особенностей формы каждой
заготовки, фактического положения, достигнутого при ее установке,
и короблений (при -закреплении и от усилий резания).
В качестве примера первого направления можно привести алгорит-
мы [8), позволяющие с помощью компьютера и соответствующего
оборудования выполнять наивыгоднейшую установку каждой заготов-
ки или детали по- различным критериям оптимальности в зависимос-
ти от особенностей изделия и процесса его обработки.
Так, для лопаток с обрабатываемым пером при обработке устано-
вочных баз в заготовке (относительно пера заготовки) критерий
opt ® max(min(a(x, z))
обеспечит максимальную равномерность припуска (до компьютерной
реализации эта задача решалась на заводах с помощью специальной
установки автоматического распределения припуска АРП). Здесь а
— измеренный или вычисленный текущий припуск в точке пера с
координатами лиг.
Для заготовок, на фасонной рабочей поверхности которых (напри-
мер, на пере лопатки) не оставлен припуск на обработку, алгоритм
вычисления критерия opt меняется в соответствии с особенностями
работы детали. Например, обеспечивается максимально возможная
компенсация напряжений от изгиба пера газовыми силами, напряже-
ниями от центробежных усилий.	• t
Последнее из перечисленных выше направлений адаптивной
компьютеризации операций в САПР ТП является наиболее важным
с точки зрения обеспечения уникальных требований к точности и
распределению геометрических и физико-химических параметров
высоконагруженных деталей сложной формы. Например, с его по-
мощью можно точно обеспечить толщины стенсж в опасных зонах
обрабатываемой неточной заготовки (в частности, фрезеровать канав-
ки с точностью толщин стенок до 0,01 мм, несмотря на наличие
короблений фрезеруемой оболочки до 0,3 мм).
198
Но компьютеризация операций изготовления деталей ГТД слож-
ной формы не ограничивается обеспечением уникальных требований
к их точности.
Поэтому за геометрическим моделированием в ММА следует
аналитическое моделирование физико-химических процессов прн
обработке. Сложность математических моделей благодаря автомати-
зации расчетов на ЭВМ не лимитирует технологов-пользователей.
Сравнительно ничтожные затраты на постепенную разработку моду-
лей, реализующих эти задачи, быстро окупаются за счет резкого
увеличения ресурса очень дорогих ГТД.
Технологические процессы делятся на классы с общим механиз-
мом физико-химических процессов. Рассмотрим для образца широкий
класс методов обработки, в которых формирование указанных про-
цессов определяется нестационарным полем температур от быстро-
движущегося линейного источника тепла (шлифование и механичес-
кое полирование лентой, кругом; тонкое и скоростное чистовое
точение; упрочнение лучом лазера; сварка и пайка горелкой, наплав-
ка при ремонте изношенных деталей и т.д.):
/= (^/(пЛсрт)0’5)ехр(-у2/(4йт)); т = z/Snp,
где Л, с, а — теплофизические параметры, вводимые в базу данных
САПР ТП из справочников, так же как и плотность р; Snp — продо-
льная подача или в общем случае скорость перемещения линейного
источника тепла, например зоны шлифования; у и z — подвижные
координаты рассматриваемой точки детали, связанные с линейным
источником тепла, интенсивность которого q (рис. 8.4); т — время,
отсчитываемое с момента прохождения источником над рассматрива-
емой точкой детали.
Далее ограничимся подклассом процессов, не сопровождающихся
существенными структурными изменениями объемов от действия t
при обработке. Например, этому условию удовлетворяет механичес-
кая обработка деталей ГТД из жаропрочных, нержавеющих и тита-
новых сплавов (а их большинство). В этом подклассе с помощью
соотношений теории термопластичностн и математической модели
(8.9) можно достаточно точно рассчитать поля тензоров пластических
деформаций, напряжений, текущих и остаточных аост (после снятия
обработанной детали с приспособления), степеней наклепа «н (в
частности глубину наклепа Лн), коробления /. Пример расчетной
схемы н результатов расчета при шлифовании дан на рис. 8.4, рас-
смотрением которого мы далее ограничимся, как типовым. Поскольку
при шлифовании q является обобщенным параметром и непосред-
ственно в технологической документации не указывается, необходимо
199
Рис. 8.4. Расчетная схема математического моделирования температурных полей,
пластических деформаций, наклепа и короблений при шлифовании тонкостенных
деталей
выполнить математическое моделирование его зависимости от общеп-
ринятых параметров: характеристик круга или шлифовальной ленты,
их размеров, режимов операции (поперечной и продольной подач,
числа проходов и др.), типа СОЖ и способа ее подачи и т.д. Можно
использовать два способа определения q для множества возможных
сочетаний указанных параметров:
по данным справочников найти составляющую силу резания Pz и
вычислить q = PJK.JB — доля выделяющегося тепла, идущего в
деталь; В — ширина инструмента);
при разных параметрах операции прошлифовать партию образцов
и,' замерив их прогибы /, вычислить по ним [10] фактические значе-
ния q в данных производственных условиях.
Полученная таким образом математическая модель позволяет при
адаптивном управлении генерировать управляющие программы с
учетом фактических значений припуска а(.х, z) и толщин стенки
Жх, z) каждой заготовки с индивидуальным определением режимов
обработки. Критерий их оптимизации — обеспечение наивыгодней-
ших параметров физико-химического состояния каждого экземпляра
изделия. Такое технологическое обеспечение надежности ГТД невоз-
можно при традиционных методах проектирования и управления
технологическими процессами.
ММЭ — разновидность рассматриваемого метода ММ САПР ТП
ГТД, основанная на экспериментально-статистическом моделирова-
нии зависимости (8.5). Достоинство ММЭ — универсальность (не все
ТП удается описать аналитически). Недостатки: необходимые для
идентификации (8.5) эксперименты (особенно технологические
200
испытания на усталость, износ, длительную жаропрочность) дороги,
трудоемки, а область достоверного использования построенных
математических моделей жестко ограничена рамками экспериментов,
которые удалось предприятию провести.
Однако применяя САПР наивыгоднейшей конструкции технологи-
ческих образцов (дешевых, но точно отражающих факторы К, Т и
Ех), адаптивное управление экспериментами по идентификации
(8.5), сокращающее их $ сотни раз, а также применяя ускоренные
методы испытаний на прочность, можно уменьшить сроки и стои-
мость ММЭ до приемлемого для заводов уровня [10].
Например, когда длительные технологические испытания ГТД
показали, что планируемое при доводке увеличение его ресурса в три
раза не может быть обеспечено из-за усталостных повреждений в
основании первого елочного паза диска первой ступени турбины из
сплава ЭИ698ВД, методом ММЭ была оптимизирована на ЭВМ
операция протягивания в следующей последовательности:
1.	Выполнено исследование зоны деформации при протягивании
елочных пазов и на ЭВМ спроектированы образцы призмы 3x4*30 из
сплава ЭИ698ВД, такие что протягивание елочных пазов в образцах
и горячие испытания йх на усталость по схеме резонансных попереч-
ных колебаний на высоких звуковых частотах были достаточно точны
для идентификации модели (8.5).
2.	Изготовлено быстропереналаживаемое приспособление, позво-
лившее протягивать елочные пазы в этих образцах на станках и теми
же протяжками, что использовались для дисков ГТД (воспроизведе-
ние Т).
3.	Разработана методика ускоренных эквивалентных" испытаний
пределов выносливости и циклической долговечности N основа-
ния елочного паза на магнитострикционном вибростенде МАИ на
высоких звуковых частотах, сократившая их длительность до ста раз,
с эквивалентным выдерживанием перед испытаниями образов при
температуре максимального газа (моделирование факторов К и Ех).
4.	Реализован алгоритм адаптивного управления технологически-
ми испытаниями на усталость (назначение наиболее информативных
параметров операции протягивания елочных пазов и уровней напря-
жений при испытаниях) с одновременной идентификацией искомой
модели и оценкой ее адекватности.
Полученная математическая модель ММЭ имела структуру:
S =/1(Т, Bel) - f2(T, Exl)D.	<8Л0>
Здесь S = 1g(о); D = lg(A) — обобщенные показатели прочности и
долговечности детали; о — предел выносливости; N — число циклов
до разрушения.
201
Значимые технологические факторы Т - (v, бшн), где v — скорость
протягивания текущего паза; бизн — износ зубьев протяжки при
протягивании текущего паза. i?xl — продолжительность работы
двигателя на режиме максимального газа.
По модели (8.10) на ЭВМ были найдены следующие характерные
варианты управления операцией протягивания:
1.	Задано условие v = const. Найдено наивыгоднейшее компромис-
сное для диапазонов бизн = 0...0,5 и. Ех\ - 0...3000 ч значение v —
- 3,5 м/мнн, обеспечивающее увеличение ресурса елочного паза в
пять раз (этот вариант был внедрен в производство).
2.	Вычислен наивыгоднейшйй закон адаптивного управления
скоростью протягивания в зависимости от текущего значения износа,
который предполагалось измерять датчиками:
v = v<eM3K>-	<8Л1>
Прогнозируемое увеличение ресурса елочного паза — в 15 раз- Но
вариант требовал установки на станок системы адаптивного
управления.
3.	Найден наивыгоднейший закон программного управления
(более дешевого, чем адаптивное) скоростью протягивания в зависи-
мости от вычисляемого по аналитически найденной модели:
б = б (N ).	(8.12)
мизн иизнм’п'’
где Nn — число пазов протянутых протяжкой после переточки в
рассматриваемый момент т операции. Искомый закон получается
подстановкой (8.12) в (8.11). Прогнозируемое увеличение ресурса
елочного паза — в 10 раз.
В заключение рассмотрим целесообразную методику интеграции
ММ с изученным выше сочетанием методов МТ и МС. Берется соот-
ветствующая САПР ТП, построенная на последних двух методах.
Внесенные ранее готовые технологические решения Т, которые по
прогнозам ММ существенно влияют на долговечность и работоспособ-
ность конструкции К в данных условиях эксплуатации Ех, заменяют
в базе данных САПР ТП ГТД на математические модели типа только
что рассмотренных. К алгоритму проектирования добавляют блоки
вычисления по этим моделям технологических решений Т, наивыгод-
нейших по критериям работоспособности и долговечности детали.
Становится возможной еще более высокая ступень интеграции.
Посылая автоматически из САПР К (конструктора) на вход в САПР
ТП информацию о предполагаемом варианте конструкции ГТД,
202
быстро просматривают его технологию и оценивают, какую надеж-
ность, работоспособность и долговечность изделия она обеспечит. В
результате получают интегрированную систему САПР (К + Т) ГТД.
С ее помощью можно еще на ранних стадиях разработки новой
конструкции обеспечивать ее технологичность, одновременно ис-
пользуя новые, недоступные ручному проектированию резервы
технологии для существенного улучшения удельных параметров, а
следовательно, конкурентоспособности новых изделий [10].
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Каким образом применение САПР ТП и управляемого от ЭВМ технологического
оборудования и оснастки может позволить резко сократить сроки подготовки производ-
ства и улучшить эксплуатационные качества ГТД?
2.	Чем определяется выбор рассмотренных выше методов САПР ТП и их сочета-
ний?
3.	В чем заключается особенность адаптивной автоматизации технологических
операций на базе САПР ТП?
4.	Каковы перспективы применения аналитических и экспериментально-статисти-
ческих методов моделирования в САПР ТП для увеличения ресурса и надежности
ГТД?
РАЗДЕЛ II
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Как бы ни была сложна форма детали, ее всегда можно предста-
вить как совокупность элементарных поверхностей. К таковым
относятся: наружные и внутренние поверхности тел вращения,
плоские поверхности, резьбовые, шлицевые, зубчатые и фасонные
поверхности. Технологические возможности методов, применяемых
для обработки той или иной поверхности, могут быть различными в
отношении точности, производительности и экономичности. Выбирая
метод, следует учитывать эти обстоятельства.
глава 9. ОБРАБОТКА НАРУЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
9.1. ТОЧЕНИЕ, ФРЕЗЕРОВАНИЕ, ПРОТЯГИВАНИЕ
И ШЛИФОВАНИЕ НАРУЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
Точение. Наружные поверхности тел вращения относятся
в основном к деталям класса валов. Они могут иметь разнообразную
форму — цилиндрическую гладкую, цилиндрическую ступенчатую,
коническую, комбинированную.
Обработку точных наружных поверхностей тел вращения можно
разделить на этапы — черновой, получистовой, чистовой и оконча-
тельный. К каждому этапу обработки предъявляют свои специфи-
ческие требования в отношении точности, поверхностного слоя,
производительности и др.
В большинстве случаев обработка наружных поверхностей тел
вращения производится при установке заготовки на центрах. Для
создания баз вначале обрабатывают торцы заготовки, затем произво-
дят зацентровку. Если заготовка имеет отверстие, то в качестве
технологических баз могут служить фаски отверстия или само
отверстие. От точности, вида и расположения центровых углубле-
204
Рис. 9.1. Центровые отверстия
ний зависит точность обра-
батываемых поверхностей
(рис. 9.1, а, б). Отверстия
типа ”а” используются при
обработке поверхностей
е)
$
заготовок невысокой точности. Отверстия типа ”б” имеют фаску под
углом 120° или цилиндрическое углубление, предохраняющие от
повреждения (при ударах) кромки отверстия. Центровые отверстия
этого типа применяют при обработке точных поверхностей и особен-
но в случае большого числа операций обработки, когда вероятность
повреждения кромки центрового отверстия возрастает. При обработке
ступенчатых или комбинированных поверхностей тел вращения очень
важно выдержать определенное и одинаковое у всех заготовок распо-
ложение центровых углублений (их глубину). Наилучшим образом
отвечает этим требованиям обработка отверстий на фрезерно-центро-
вальном полуавтомате. По сравнению с обработкой центровых отвер-
стий на других станках (токарных, револьверных, сверлильных)
производительность на полуавтомате наиболее высокая.
Черновая обработка наружных поверхностей производится чаще
всего'на обычных токарных станках, станках с программным управ-
лением, с копировальным устройством, токарно-многорезцовых
станках и станках ротационно-фрезерных.
Чистовая обработка наружных тел вращения производится в
основном на токарных станках. Редко при этом используют многорез-
цовые станки, чаще — станки обычные, оснащенные гидрокопиро-
вальными устройствами.
Сокращение основного времени на токарно-многорезцовых стан-
ках может быть достигнуто путем деления длины обработки иа
наибольшей ступени и деления припуска. Наилучшим образом это
удается на токарно-многорезцовых станках. На рис. 9.2, а, б, в
показаны варианты точения валов — гладкого и ступенчатого — на
Рис. 9.2. Схемы точения вала:
а — обработка гладкого вала на токарном станке; б, в — обработка гладкого и многос-
тупенчатого вала на многорезцовом станке
205
Рис. 9.3. Схема обработки вала па станке с
гедросунпоргом:
1 — копир; 2 — щуп; 3 — золотник; 4 —
насос; 5 — гидроцилиндр; 6 — шток; 7 —
поршень
токарно-многорезцовом станке.
Наладка многорезцовых станков
для обработки ступенчатых валов
иногда является весьма сложной. В
таких случаях более рациональной
становится обработка на станках с копировальным устройством.
На рис. 9.3 приведена схема обработки вала на станке с падросуп-
портом. Гидросуппорт монтируется на направляющих поперечного
суппорта токарного станка. Неподвижный копир I устанавливается
с задней стороны станка, рабочий цилиндр 5 имеет две полости — А
и В, сообщающиеся между собой посредством отверстия в поршне. Во
время работы станка жидкость Спасло) от насоса 4 подается в полость
А гидросуппорта. Если силы гидростатического давления с обеих
сторон одинаковы, гидросуппорт неподвижен (обтачивается цилин-
дрическая часть поверхности заготовки). При перекрытии золотником
3 канала, соединяющего полость В с баком, давление на поршень
жидкости, находящейся в этой полости, возрастает и цилиндр с
суппортом перемещается к центру обрабатываемой заготовки. Когда
же золотник открывает канал, масло из полости В сливается в бак,
давление жидкости в этой полости падает и цилиндр с суппортом
перемещается в обратную сторону. Таким образом, золотниковое
следящее устройство гидросуппорта обеспечивает необходимую
траекторию резца.
Фрезерование наружных поверхностей вращения (ротационное
фрезерование). В этом случае заготовке вала сообщается круговая
подача. На двух шпинделях станка установлены фрезы, вращающие-
ся в разные стороны. При вращении заготовки фрезы обрабатывают
поверхности вращения. Если фрезы одинаковые, то обработка заго-
товки заканчивается в течение половины ее оборота. Метод отличает-
ся высокой производительностью.
Протягивание наружных поверхностей вращения. При этом
методе обработки заготовка получает медленное вращение, а протяж-
ка движется прямолинейно. Каждый зуб протяжки работает как
тангенциальный резец. Обработка протягиванием заменяет черновое
и чистовое обтачивание коротких шеек заготовки вала.
Шлифование наружных поверхностей тел вращения — наиболее
широко применяемый метод. В авиационном двигателестроении валы
206
обычно проходят термоулучшение (закалку и отпуск), а также
термохимическую обработку (цементацию или азотирование). Повер-
хности детали, прошедшие такую обработку, обладают высокой
твердостью. В этом случае поверхность вала обрабатывают шлифова-
нием.
При шлифовании поверхностей тел вращения снимают небольшой
припуск — 0,2...0,5 мм на сторону. Величина припуска определяется
дефектами предыдущей операции, к которым относятся шерохова-
тость поверхности, дефектный слой и деформации заготовки от
предыдущей обработки.
При обработке на шлифовальных станках режущим инструментом
являются шлифовальные абразивные круги или абразивные ленты.
Твердость абразивных материалов значительно выше твердости
обрабатываемых материалов. В настоящее время в качестве абразив-
ного материала в виде зерен используют электрокорунд, карбид
кремния, карбид бора, карбид циркония, борсиликарбид, кубический
нитрид бора (эльбор)-, синтетический алмаз.
Для стандартизированных шлифовальных кругов применяют
связки — керамическую, бакелитовую, вулканитовую, силикатную,
глифталевую и металлическую. Наибольшее распространение полу-
чила керамическая связка, которую изготавливают из огнеупорной
глины, полевого шпата и кварца. Достоинством керамической связки
является водостойкость и большая производительность.
Металлическая связка бывает вольфрамкобальтовая, железонике-
левая, меднооловянная. Она применяется как для абразивных, так и
для алмазных кругов. Алмазные круги обладают большими износо-
стойкостью и производительностью. Важнейшим параметром, опреде-
ляющим режущие свойства шлифовального инструмента, является
его зернистость (ГОСТ 3647—80). По ГОСТ 18118—79 предусмотрено
7 классов твердости абразивных инструментов: мягкие (М), сред-
немягкие (СМ), средние (С), среднетвердые (СТ), твердые (Т),
весьма твердые (ВТ), чрезвычайно твердые (ЧТ).
При шлифовании твердых сталей применяют мягкие круги, так
как затупившиеся их зерна легко вырываются из связки. При шли-
фовании мягких сталей применяют твердые круги, обладающие
большой стойкостью.
Прн круглом наружном шлифовании поверхностей применяют
разнообразные методы обработки. Наиболее распространенными
являются шлифование с продольной подачей и шлифование с попе-
речной подачей (врезание) (рис. 9.4). Первый способ заключается в
том, что в процессе шлифования заготовка совершает продольные
движения попеременно в обе стороны, поперечная подача шлифо-
вального круга производится по окончании каждого продольного
207
Рис. 9.4. Схема круглого шли-
фования:
а — с продольной подачей; б —
с поперечной подачей; в —
шлифование уступа и шейки
вала
хода. При предваритель-
ном шлифовании продо-
льная подача обычно
составляет 0,5...0,8 шири-
ны круга на один оборот
детали, при окончатель-
ном — 0,2...0,5 ширины
круга, а глубина резания
составляет 0,005...0,02 мм
на каждый проход.
Основное время (в
мин) для круглого на-
ружного шлифования с
продольной подачей
(рис. 9.4, а) определяется
по формуле
= —£——к,
^ПОП
где L — длина продольного хода стола, мм; z — припуск на сторону,
мм; п — частота вращения обрабатываемой заготовки, об/мин; S —
продольная подача на один оборот заготовки, мм; 5П0П — поперечная
подача круга за один проход (глубина резания), мм; 5Д — продольная
подача в долях ширины круга на один оборот заготовки; ВК — шири-
на круга, мм; к — коэффициент доводки или выхаживания, учитыва-
ющий точность шлифования.
Величина к принимается следующей: при точности шлифования
0,1...0,15 мм к = 1,1; при 0,07...0,09 мм к = 1,25; при 0,04...0,06 мм
к - 1,4; при 0,02...0,03 мм к - 1,7.
Основное (машинное) время для круглого наружного шлифования
с поперечной подачей круга определяется по формуле
208
б)
Рис. 9.5. Схема бесцентрового шлифова-
ния:
а — общая схема; б — с продольной пода-
чей; в — с поперечной подачей; 1 — шли-
фовальный круг; 2 — обрабатываемая
деталь; 3 — ведущий круг; а — опора
(нож)
где 5ПОП — поперечная подача на один оборот заготовки (глубина
резания), мм.
При шлифовании заготовки вала, имеющего цилиндрическую и
торцевую поверхности, шлифовальный круг у периферии поднутря-
ют. Это делается для того, чтобы избежать искажения формы торце-
вой части в связи с износом шлифовального круга в периферии (см.
рис. 9.4, в).
В настоящее время начали применять круглошлифовальные
станки с двумя-тремя и более кругами, работающими одновременно.
Бесцентровое шлифование. При бесцентровом шлифовании
заготовку 2 устанавливают свободно между двумя шлифовальными
кругами (рис. 9.5). Круг 1 большего диаметра является шлифующим,
а круг 3 меньшего диаметра — ведущим. Ведущий круг вращает
заготовку и сообщает ей продольную подачу, если он развернут
относительно круга 1.
Шлифующий круг вращается со скоростью 30...40 м/с, ведущий
—- 20...30 м/мин.
209
На бесцентрово-шлифовальных станках можно шлифовать заго-
товки валов, имеющие форму тела вращения, цилиндрическими,
коническими и фасонными поверхностями.
Методом врезания шлифуют заготовки с уступами. При этом оси
шлифующего и подающего кругов должны быть параллельными.
Шлифование наружных поверхностей тел. вращения является
довольно производительным методом чистовой и окончательной
обработки. Уменьшение припуска и большая ширина шлифовального
круга — основные факторы высокой производительности бесцентрово-
го шлифования. Этот метод позволяет получить высокую точность
размеров обрабатываемых поверхностей. Однако при этом методе не
представляется возможным повысить точность взаимного расположе-
ния поверхностей.^
Круглошлифовальные и бесцентрово-шлифовальные станки легко
автоматизируются и встраиваются в автоматические линии.
В процессе шлифования возникают высокие температуры в повер-
хностном слое обрабатываемых заготовок с большим .перепадом по
глубине слоя. Температурный фактор в этом случае является прева-
лирующим в образовании растягивающих напряжений.
Шлифование абразивной лентой. Абразивная лента в процессе
обработки охватывает шейку шлифуемой заготовки вала, которая
получает вращательное движение. Лента непрерывно протягивается,
чтобы сменить изношенный участок. Абразивные ленты изготовляют
на тканевой основе с применением клеев, делающих ленту водостой-
кой. Зернистость абразива лент колеблется от 80 до 3 и выбирается
в зависимости от припуска на обработку. При использовании лент с
мелким зерном можно получить шероховатость поверхности до Ra -
= 0,15 мкм.
При ленточном шлифовании силы резания невелики. Тепловой
контакт осуществляется по всей поверхности обработки, в результате
чего поверхностный слой прогревается до определенной глубины на
более или менее одинаковую температуру. В поверхностном слое
обычно возникают сжимающие напряжения.
Опыт эксплуатации станков для ленточного шлифования на
заводах отрасли показал, что качество поверхностного слоя обраба-
тываемых изделий значительно выше, чем при обработке кругами.
При ленточном шлифовании очень редко встречаются прижоги,
трещины и волосовины. Остаточные напряжения, как правило,
сжимающие и низкого уровня. В связи с указанным ленточное шли-
фование является предпочтительным методом финишной обработки.
Однако надо иметь в виду, что этот метод служит только для повы-
шения качества поверхностного слоя. С fero помощью нельзя повы-
сить точность обрабатываемых поверхностей и тем более точность
взаимного расположения поверхностей.
210
9.2. ОТДЕЛКА НАРУЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
Широкое применение для отделки шеек валов находит
метод алмазного выглаживания. Сферический или цилиндрический
алмазный наконечник прижимается (чаще пружиной) к вращающе-
муся валу, перемещаясь при этом в продол ином направлении. Алмаз-
ное выглаживание позволяет получить шероховатость до Ra —
- 0,04 мкм. При этом физико-химические свойства материала вала
значительно улучшаются, на поверхности детали образуются сжима-
ющие остаточные напряжения. Перед отделкой поверхности должны
быть точно обработаны, так как отделка не исправляет в достаточной
мере погрешностей формы и размеров. Отделку, кроме выглажи-
вания, производят инструментом с использованием абразивных зерен,
например, притиранием или суперфинишированием. Последний
метод является наиболее совершенным (рис. 9.6). Мелкозернистые
бруски совершают от 200 до 1000 осевых колебательных движений в
минуту с амплитудой 2...4 мм. Давление брусков на обрабатываемую
поверхность не превышает 2- Ю5 Па. Скорость резания — около
40 м/мин, снимаемый припуск на диаметр — 0,03 мм. Шероховатость
поверхности при такой обработке приближается к Ra = 0,02 мкм.
Притирка служит для окончательной, отделки предварительно
отшлифованных поверхностей. Эта операция выполняется чугунным
или бронзовым притиром, который предварительно шаржируется
абразивным микропорошком (величина зерна от 3 до 20 мкм) с
маслом или специальной пастой. Абразивным порошком являются
корунд, окись хрома, окись железа и др. Например, пасты ГОИ
содержат в качестве абразива окись хрома и в качестве связки —
олеиновую и стеариновую кислоты.
Пасты ускоряют процесс притирки, так как входящие в них хими-
ческие активные вещества образуют пленку, легко удаляемую абра-
зивными зернами. Операция притирки производится при вращающей-
ся обрабатываемой детали и возвратно-поступательном движении
притира. Чаще всего эту операцию производят вручную. Припуск на
доводку оставляют 5...10 мкм на диаметр. Скорость резания 10...
20 м/мин.	л -а
Полирование — это процесс
обработки поверхности мягким
крутом с нанесенным на него
мелкозернистым абразивным по-
Рис. 9.6. Схема суперфиниширования
211
рошком, смешанным со смазкой. Материалом для кругов служат
войлок, фетр, парусина или кожа.
Новым видом абразивного инструмента являются полировальные
круги с графитовым наполнителем. Применение таких кругов позво-
ляет получить высококачественную гладкую поверхность с очень
малой шероховатостью.
Полированием не исправляются погрешности формы, а также
местные дефекты, оставшиеся от предыдущей обработки. Этим
методом достигается только высокая степень чистоты поверхности
Ra = 0,04...0,01 мкм.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какими методами обрабатывают наружные поверхности тел вращения?
2. Каковы технологические возможности отделочных методов обработки наружных
поверхностей тел вращения?
ГЛАВА 10. ОБРАБОТКА ОТВЕРСТИЙ
10.1.	ВИДЫ ОТВЕРСТИЙ И МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ
Отверстия в деталях машин бывают цилиндрические,
ступенчатые, конические, фасонные. Они могут быть открытыми с
двух сторон или с одной стороны (глухие отверстия).
Обрабатывать отверстия со снятием стружки можно лезвийным,
абразивным инструментами или абразивным порошком и физико-
химическими методами. Лезвийным инструментом можно сверлить,
зенкеровать, развертывать, растачивать, протягивать отверстия.
Абразивным инструментом отверстия шлифуют, хонингуют, супер-
финишируют; абразивным порошком притирают. Физико-химические
методы находят все большее применение при обработке отверстий
в труднообрабатываемых материалах и отверстиях малых диаметров.
Основные из этих методов следующие: ультразвуковая, светолучевая,
электронно-лучевая, электроэрозионная, электрохимическая и алмаз-
но-электролитическая обработки. Обработка отверстий без снятия
стружки производится калиброванием при помощи выглаживающих
прошивок и шариков, а также раскатыванием.
В деталях из листового материала отверстия чаще всего пробивают
в штампах.
212
10.2.	ОБРАБОТКА ОТВЕРСТИЙ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
Сверление. Распространенный способ обработки глухих
и сквозных отверстий в сплошном материале с точностью 9... 13-го
квалитетов и шероховатостью поверхности Ra = 5... 10 мкм.
Отверстия диаметром больше 35...40 мм сверлят за два перехода
— сначала сверлом меньшего диаметра, а затем требуемого. Отвер-
стия диаметром свыше 60...70 мм целесообразно обрабатывать коль-
цевым сверлом. В этом случае большая часть металла остается в виде
сердечника, пригодного для использования.
Различают два метода сверления: вращением сверла (сверлильные
и расточные станки) и вращением детали (токарно-револьверные
станки). При сверлении отверстий с вращением инструмента увод
сверла от оси отверстия больше, чем при сверлении с вращением
детали.
Для уменьшения увода сверла при обработке отверстий в сплош-
ном металле применяют засверливание коротким жестким сверлом
(центрование на токарно-револьверных станках и автоматах) и
кондукторы с направляющими втулками (на сверлильных и расточ-
ных станках). Кондуктор позволяет в одной операции обрабатывать
несколько отверстий, обеспечивая точное расстояние между осями
отверстий.
Для повышения производительности при сверлении отверстий
применяют многошпиндельные головки или специальные станки
(чаще агрегатные).
Если заданная точность отверстия 11-го квалитета и выше, то в
зависимости от его диаметра и вида заготовки последующая обработ-
ка осуществляется зенкерованием, развертыванием, растачиванием.
Для выполнения на сверлильном станке в одной операции после-
довательной обработки сверлением, зенкерованием и развертыванием
используют кондукторы со сменными втулками и быстросменные
патроны’для закрепления инструмента в шпинделе станка.
Если масса обрабатываемой детали с кондуктором не превышает
150...200 Н, то отверстия сверлят на вертикально-сверлильных стан-
ках, а при большей массе применяют радиально-сверлильные станки.
Зенкерование. Применяют для обработки предварительно полу-
ченного отверстия литьем, штамповкой или сверлением. Для отвер-
стий с точностью до 11-го квалитета и шероховатостью Ra - 1,25
зенкерование может быть или окончательной операцией, или пред-
варительной перед развертыванием. Для обработки фасок в отверсти-
ях цилиндрических или конических углублений и торцевых повер-
хностей под головки заклепок, винтов, болтов и гаек применяют
зенковки (рис. 10.1).
213
ми
4
Рис. 10.1. Зенковка («) и неков-
ка (б)
Зенкеры в зависимости
от их назначения подраз-
деляются на спиральные,
цилиндрические и кони-
ческие.
Спиральными зенкера-
обрабатывают сквозные цилиндрические отверстия. Зенкеры
диаметром 12...35 мм изготавливают цельными с коническими хвос-
товиками и с тремя режущими зубьями, а зенкеры диаметром 25...
80 мм — насадными с четырьмя (реже с шестью) режущими зубьями.
Насадные зенкеры диаметром 60...175 мм выполняют со вставными
рифлеными ножами с пластинками из твердых сплавов.
Для исправления положения оси отверстия, уменьшения увода ее
и обеспечения заданной точности зенкерование выполняют с направ-
лением инструмента в кондукторных втулках. Различают три способа
направления зенкера — верхнее, нижнее и двойное (рис. 10.2). ч
Верхнее направление зенкера 1 во втулке 2 обеспечивается специ-
альной цилиндрической направляющей или непосредственно своими
калибрующими ленточками (см. рис. 10.2, а).
Нижнее направление осуществляется во втулке 2, расположенной
под деталью 3 (см. рис. 10.2, б).
Для обработки отверстий диаметром свыше 25 мм рекомендуется
двойное направление зенкера верхней и нижней направляющими (см.
рис. 10.2, в). Зенкер со шпинделем обычно имеет шарнирное и
плавающее соединения. Этим исключается влияние на положение оси
Рис. 10.2. Направление
зенкера в кондукторных
втулках:
а — верхнее; б — нижнее;
в — двойное

214
отверстия погрешностей из-за биения шпинделя, несовпадения его
оси с осями зенкера и направляющих втулок и других погрешностей,
связанных с работой станка. В этом случае положение оси обрабаты-
ваемого отверстия в основном будет определяться соосностью направ-
ляющих элементов приспособления и зенкера и точностью его изго-
товления.
Припуск для зенкерования оставляют равным примерно 0,] диа-
метра отверстия.
Грубое зенкерование отверстий после литья или штамповки
обеспечивает 12... 13-й квалитет точности, а зенкерование после
сверления или чернового растачивания — 11-й квалитет, шерохова-
тость поверхности Ra = 10. ..2,5 мкм.
Зенкером обрабатывают отверстия на сверлильных, токарно-
расточных, револьверных и других станках.
Развертывание. Основной способ обработки отверстий в материале
твердостью HRC £ 40, 6...8-й квалитет точности с шероховатостью
поверхности Ra = 2,5...0,15. Развертыванию предшествуют сверление,
зенкерование или растачивание.
По способу применения различают развертки машинные и руч-
ные, изготовляют их цельными, раздвижными и сборными со встав-
ными зубьями. Ручными цилиндрическими развертками с прямыми
и винтовыми зубьями обрабатывают отверстия диаметром от 3 до
50 мм; машинными цельными с цилиндрическим или коническим
хвостиком — отверстия диаметром 25...80 мм, машинными со встав-
ными регулируемыми ножами — отверстия диаметром 52...300 мм.
Развертки рассчитаны для снятия малого припуска. Они отлича-
ются от зенкеров большим числом зубьев, меньшими углами в плане.
Необходимыми условиями достижения высокой точности обработки
являются равномерность величины припуска и строгое совпадение оси
развертки с осью обрабатываемого отверстия.
Развертка во время работы должна свободно устанавливаться по
отверстию или иметь точное направление.
. Иноща развертку направляют кондукторными втулками. Направ-
ление развертки, также как и зенкера, может быть нижним, верхним
или двойным.
В зависимости от диаметра и требуемой точности отверстия раз-
вертывание производят одной или двумя развертками. Отверстия
8...9-го квалитета обрабатывают однократным развертыванием, 7-го
квалитета — двукратным. Развертыванием можно получить отверстия
6-го квалитета.
Для отверстий диаметром 90...120 мм общий припуск на предва-
рительное и окончательное развертывание составляет 0,2...0,4 мм.
215
При предварительном развертывании снимается более половины
припуска на обработку.
Для обработки отверстии применяются также комбинированные
инструменты: сверло — зенкер, сверло — развертка, сверло — зенкер
— развертка. Часто заменяют зенкерование и развертывание протяги-
ванием.
Основное время (в мин) для обработки отверстий сверлом, зенке-
ром, разверткой, цековкой и зенковкой определяется по формуле
_ 1 +	+ zn	(lo.i)
1О “—""““о----- ’
где I — длина обрабатываемого отверстия, мм; /вр — длина врезания,
мм; Д — длина перебега инструмента, мм; п — частота вращения
шпинделя, об/мин; 5 — подача, мм/об.
Длина врезания (в мм) при сверлении определяется по формуле
гвр = -^<лвч> + (1—3),	(10.2)
где Z) — диаметр сверла, мм; <р — главный угол в плане сверла, “.
Длина врезания при рассверливании, зенкерован и и и развертыва-
нии определяется по формуле
7вр = Zclgcp + (1...3),	(10.3)
где t — глубина резания, мм; <р — главный угол инструмента в
плане, °.
Точные конические отверстия обрабатываются комплектом из
конических зенкеров и разверток. При диаметре больше 25 мм
рекомендуется сперва сверлить ступенчатое отверстие, приближаю-
щееся к форме конического зенкера. Затем отверстие последователь-
но обрабатывается коническим зенкером, черновой и чистовой раз-
верткой.
Растачивание. Отверстия растачивают на станках токарной груп-
пы — расточных, агрегатных, специальных. Растачивать отверстие
можно при вращении детали (токарные станки) или при вращении
инструмента (расточные станки горизонтальные, вертикальные,
координатные, агрегатные и многоинструментальные станки с ЧПУ),
Растачивание резцом на токарном станке является универсальным
и широко применяемым методом обработки отверстий различных
диаметров, точности, в самых разнообразных по форме и размерам
216
деталях. На револьверных станках растачивание резцом при возмож-
ности заменяют зенкером.
Для обработки отверстий применяются расточные резцы из быс-
трорежущей стали и твердых сплавов.
В серийном производстве отверстия обрабатывают пластинчатыми
резцами (отверстия диаметром более 40 мм), расточными блоками и
головками. Расточная пластина — мерный инструмент. Расточный
блок состоит из корпуса и вставных резцов, устанавливаемых на
требуемый размер. Блок крепится в борштанге (длинной державке с
передним направлением).
В крупносерийном и массовом производствах отверстия обрабаты-
ваются расточными блоками на специальных расточных станках.
Применение расточных блоков и головок, настроенных на определен-
ный размер, обеспечивает наиболее высокую производительность
труда.
Отверстия в корпусных деталях с точно координированными осями
обрабатывают на универсально-расточных станках. Они подразделя-
ются на станки для обычных расточных работ и для точных (коорди-
натно-расточные станки). Горизонтально-расточные станки бывают
с перемещающимися в горизонтальной плоскости столом и в верти-
кальной плоскости — шпиндельной грловкой и станки с перемещаю-
щейся в горизонтальной плоскости колонкой и неподвижной плитой
для закрепления обрабатываемой детали. Шпиндельная головка
перемещается на колонке по вертикали. Такие станки применяются
для обработки крупных деталей.
Установка и закрепление деталей на станках осуществляются в
трехкулачковых патронах, планшайбах (токарные станки), на столе
станка болтами и прихватами, на угольниках, в призме, в приспособ-
лениях (кондукторах).
Точность расстояний между осями и положение отверстий относи-
тельно баз обеспечиваются при растачивании различными методами.
В машиностроении отверстия растачивают по разметке (редко) и с
применением приспособлений (кондукторов).
Разметка применяется для предварительной обработки отверстия
в единичном и мелкосерийном производствах. Точность расстояний
между осями при растачивании по разметке обычно составляет
+ (0,1...0,3).
Координатный метод растачивания широко применяется в
единичном и серийном производствах при обработке отверстий с
параллельными осями. Совмещение оси шпинделя с осями обрабаты-
ваемых отверстий производится путем перемещения детали или
режущего инструмента во взаимно перпендикулярных направлениях
по установленным концевым мерам, отсчетным системам, шкалам и
217
индикаторным устройствам с упорами. Эти устройства позволяют
отсчитывать перемещения с точностью до 0,1 мм.
В машиностроении обработка отверстий координатным методом
чаще всего производится на горизонтально-расточных станках. Со-
прсмсниыс горизонтально-расточные станки имеют оптические
системы отсчета по шкалам с точностью ±0,005 мм. Эффективнее
координатное растачивание выполнять на горизонтально-расточных
станках с программным управлением. Программное управление
станками позволяет автоматически устанавливать по координатам
стол в поперечном направлении, а шпиндельную бабку — в верти-
кальном направлении.
П ри более высоких требованиях к точности расположения отвер-
стий растачивание производят на координатно-расточных’ станках:
одно- и двухстоечных с горизонтальным и вертикальным расположе-
нием шпинделя. Новые модели этих станков имеют точные отсчетно-
измерительные системы — индуктивные и оптические. Точность
установки координат на этих станках составляет 0,002 мм для стан-
ков малых размеров, 0,003...0,004 мм — для средних и 0,006...
0,008 мм — для крупных. В координатно-расточных станках повы-
шен ной точности обеспечивается точность установок координат до
0,001 мм.
Растачивание отверстий в приспособле-
ниях (кондукторах). В серийном производстве отверстия растачива-
ют с применением различных приспособлений, в том числе и кондук-
торов, на горизонтально-расточных, радиально-сверлильных и специ-
альных станках. Обычно борштанга, шарнирно соединенная со шпин-
делем, работает на двух опорах. В расточном кондукторе, как и в
сверлильном, правильное положение борштанги и инструмента
достигается с помощью постоянных и сменных кондукторных втулок.
При обработке отверстий с применением кондукторов достигается
точность межосевых расстояний ±(0,02...0,03) мм.
Растачивание отверстий на агрегатных
станках. В крупносерийном и массовом производствах для обра-
ботки отверстий в корпусных деталях применяются многошпиндель-
ные агрегатно-расточные станки. На этих станках можно сверлить,
зенкеровать, растачивать и развертывать цилиндрические и коничес-
кие отверстия, подрезать торцы, нарезать резьбы, растачивать канав-
ки и т.п. Головки агрегатных станков могут перемещаться в верти-
кальном, горизонтальном и наклонном направлениях.
Для обработки отверстий на агрегатных станках используются
многолезвийные, комбинированные и сборные инструменты, заранее
установленные на требуемый размер. Точность обработки отверстий
на этих станках соответствует 8...9-му квалитету.
218
Тонкое растачивание. Применяется как окончатель-
ная операция обработки отверстий высокой точности. Тонкое раста-
чивание осуществляется при больших скоростях резания (100...
1000 м/мин), малых подачах (0,01...0,12 мм/об) и глубинах резания
(0,05...0,4 мм). Детали из цветных металлов, сплавов и пластмасс
растачиваются алмазными резцами, а детали из черных металлов —
резцами из твердых сплавов. Рекомендуемые режимы резания при
тонком растачивании следующие.
При обработке деталей из сталей скорости резания составляют от
120 до 250 м/мин, подачи — от 0,02 до 0,12 мм/об и глубина резания
— от 0,1 до 0,3 мм. При обработке-деталей из цветных сплавов
скорость резания до 800 м/мин, подачи — от 0,02 до 0,10 мм/об и
глубина резания — от 0,05 до 0,4 мм.
Тонкое растачивание производится на прецизионных расточных
станках, одно- и многошпиндельных, вертикальных и горизонталь-
ных. Изготавливается много моделей алмазно-расточных станков —
2А710, 2712, 2А716 и др. Эти станки обладают высокой жесткостью
и виброустойчивостью. Все модели станков работают с вращением
шпинделя при неподвижной детали.
Отверстия диаметром 50...200 мм и длиной 75...200 мм обрабаты-
вают на вертикальных станках, отверстия меньших диаметров — на
горизонтальных. Резцы закрепляют в консольных жестких оправках.
Тонкое растачивание обеспечивает точность отверстия 6...7-го квали-
тета при шероховатости поверхности Ra = 0,32—0,08 мкм. Погреш-
ность формы (овальность, конусность) составляет 0,003...0,004 мм.
Протягивание. Высокопроизводительный процесс обработки
отверстий высокой точности, применяемый в крупносерийном и
массовом производствах. Протягиванием обрабатывают отверстия
разнообразного профиля диаметром от 3 до 300 мм с точностью
6...9-го квалитета и шероховатостью Ra = 2,5...0,15 мкм. Длина
протягивания отверстия обычно не превышает трехкратной величины
его диаметра. Перед протягиванием отверстия обрабатывают сверле-
нием, зенкерованием или растачиванием. Различают профильное,
генераторное и прогрессивное протягивания (рис. 10.3).
Для профильной схемы резания (см. рис. 10.3, а) форма режущих
кромок протяжки соответствует профилю обрабатываемой поверхнос-
ти. Зубья протяжки срезают заданный припуск последовательно, при
этом окончательная форма и размеры обрабатываемой поверхности
образуются последним зубом. Процесс резания происходит при малых
подачах на зуб.
При генераторной схеме резания форма режущих зубьев протяж-
ки не соответствует профилю обрабатываемого отверстия детали.
Например, при обработке квадратного отверстия по генераторной
219
Рис. 10.3. Схемы протягивания отверстий:
а — профильное; б — генераторное; в — прогрессивное
схеме режущие кромки имеют форму дуг окружностей (см.
рис. 10.3, б). Окончательная форма и размеры обрабатываемой
поверхности получаются при резании последними зубьями. Точность
обработки по этой схеме достигается тем, что несколько последних
зубьев работают по профильной схеме.
При прогрессивной схеме резания (см. рис. 10.3, в) периметр
режущих зубьев протяжки разделен на секции, благодаря чему
каждый зуб срезает слой металла не по всему протягиваемому конту-
ру, а по части его, при этом каждый зуб протяжки срезает слой
толщиной в 5... 10 раз больше, чем при работе по профильной схеме.
Этим методом можно протягивать отверстия после литья или штам-
повки.
Отверстия протягивают на горизонтальных и вертикально-протяж-
ных станках с тяговой силой от 0,1 до 1 МН при средней скорости
резания 3...5 м/мин.
Детали для протягивания устанавливают на жесткой или шаровой
опоре. Когда торец детали подрезан перпендикулярно оси отверстия,
деталь устанавливают на жесткой опоре. Если торец детали не
подрезан (необработанная поверхность штамповки или отливки) или
подрезан неперпендикулярно оси отверстия, деталь устанавливают
для протягивания на шаровой опоре.
Если длина отверстия у детали меньше 2...3 шагов протяжки,
следует протягивать отверстие одновременно у нескольких деталей.
Припуски на протягивание отверстий, полученных сверлением,
зенкерованием или растачиванием, составляют от 0,5 до 1,5 мм на
диаметр. Подача на зуб 0,02...0,1 мм. Отверстие под профильное
протягивание обрабатывают с точностью 11... 13-го квалитета.
Для получения меньшей шероховатости обрабатываемой повер-
хности и повышения стойкости протяжек обработку обычно осущес-
220
твляют с применением сульфофрезола или 20 %-го раствора эмуль-
сола в воде с добавлением 4 % мыла.
Основное время (в мин) для обработки протягиванием определяет-
ся по формуле
(10.4)
где L — длина рабочей части протяжки, мм; I — длина протягиваемой
поверхности детали, мм; vp — скорость резания (рабочего хода),
м/мин; vox — скорость обратного хода, м/мин. Скорость обратного
хода принимается в 2...3 раза выше скорости рабочего хода.
Протягиванием можно образовать винтовые шлицы и специальные
канавки в отверстиях, для чего во время протягивания протяжке
сообщается врашательное движение.
10.3.	ОБРАБОТКА ОТВЕРСТИЙ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
Шлифование отверстий. Внутреннее шлифование явля-
ется одним из основных методов обработки отверстий 6...9-го квали-
тета с шероховатостью поверхности Ra = 1.25...0Д5 мкм. Шлифуют
цилиндрические и конические, сквозные и глухие отверстия в дета-
лях из сталей, чугунов и жаропрочных сплавов, достигая высокой
точности.
Помимо высокой точности и качества поверхности достоинство
внутреннего шлифования'заключается в возможности исправления
направления оси отверстия, если она была смещена на предшествую-
щих операциях. Недостатками этого метода обработки являются
зависимость диаметра шлифовального круга от диаметра обрабатыва-
емого отверстия, малая жесткость шпинделя, несущего шлифоваль-
ный круг.
Современные внутришлифовальные станки позволяют обрабаты-
вать отверстия диаметром от 5 мм, в некоторых случаях и от 1 мм.
На внутришлифовальных станках обработку производят следующими
способами: при вращающейся детали, закрепленной в патроне; при
неподвижной детали на станках с планетарным движением шпинде-
ля; при вращающейся незакрепленной детали на бесцентрово-шли-
фовальных станках.
Наиболее распространен первый способ обработки с продольной
или поперечной подачей (рис. 10.4). Диаметр шлифовального круга
обычно принимают равным 0,8...0,9 диаметра отверстия.
221
Рис. 10.4. Схемы шлифования отверстий:
а — с продольной подачей; б — с поперечной подачей
В зависимости от свойств обрабатываемого материала и назначе-
ния операции скорость резания при шлифовании составляет 25...
100 м/мин. Продольная подача выражается в долях
ширины круга Вк и принимается равной при чистовом шлифовании
5 = (0,2...0,3) В мм/об детали, а при черновом шлифовании 5 =
= (0,6...0,8) Вк мм/об детали. Поперечная подача 5П круга при
чистовом шлифовании — 0,003...0,015 мм/дв.ход стола, а при черно-
вом — 0,05—0,075 мм/дв.ход стола.
Основное время (в мин) для внутреннего шлифования с продо-
льной подачей круга определяется по формуле
Идв.х^п
(10.5)
где z — припуск на сторону, мм; ида х — число двойных ходов стола
vnnx1000 _
в минуту, идв х — .	; 5П — поперечная подача за один двойной
ход стола (глубина резания), мм; к — коэффициент доводки (выха-
живания), учитывающий точность шлифования; vnpx — скорость
продольного хода стола, м/мин,
„	_ Япр«л
пр,х 1000 
Здесь 5пр — продольная подача за один оборот детали, мм (при
чистовом шлифовании 5пр = (0,2...0,3) Вк, мм/об детали); nR —
частота вращения детали, об/мин; L — длина хода стола, мм.
Длина продольного хода стола определяется по формулам: а) при
шлифовании на проход, мм, L = 10 — (0,2...0,4) Вк; б) при шлифова-
нии в упор, мм, L - lQ — (0,4...0,6) Вк, где 1О — длина шлифуемой
поверхности, мм; Вк — ширина шлифовального круга, мм.
222
Рис. 10.5. Схемы шлифования отверстий:
а — планетарное; б — бесцентровое
Наиболее производительными являются внутришлифовальные
станки-полуавтоматы. На таких станках подача круга, контроль
диаметра отверстия, правка круга перед чистовыми проходами и
выключение станка по окончании обработки производятся автомати-
чески.
Шлифование с поперечной подачей (метод
врезания) (см. рис. 10.4, б) —шлифуется поверхность по всей длине
сразу. Шлифовальному кругу сообщается поперечная подача.
Основное время (в мин) для шлифования с поперечной подачей
круга определяется по формуле

^ПИД
(10.6)
где — поперечная подача на один оборот детали (глубина реза-
ния); ид — частота вращения детали, об/мин; к — коэффициент
доводки.
Шлифование отверстий на горизонтальных и вертикальных
станках с планетарным движением шпинделя (рис. 10.5, а). Шпин-
дель с шлифовальным кругом 1 имеет четыре движения: I — враще-
ние вокруг своей оси; II — планетарное движение по окружности
внутренней поверхности детали, неподвижно закрепленной на стан-
ке; III — возвратно-поступательное движение вдоль оси детали; IV —
поперечное перемещение (поперечная подача). Поперечная подача
очень мала: Sn = 0,003...0,002 мм на один оборот детали. Из-за малой
производительности эти станки применяются только для шлифования
крупных и тяжелых деталей, которые на других, более производи-
тельных, станках шлифовать не представляется возможным.
Бесцентровое шлифование отверстий (рис. 10.5, б). Отверстие
шлифуется во вращающейся незакрепленной детали. Деталь, предва-
рительно прошлифованная по наружному диаметру, направляется и
223
поддерживается тремя роликами. Ролик 1 большого диаметра, являет-
ся ведущим: он вращает деталь 2 относительно шлифовального круга
3. Верхний нажимной ролик J прижимает деталь к ведущему ролику
1 и нижнему поддерживающему опорному ролику 4. зажатая
между тремя роликами, имеет скорость ведущего ролика. При смене
деталей зажимной ролик 5 отходит влево, освобождая деталь. Если
диаметр детали меньше 30 мм, то опорный ролик 4 заменяют опо-
рным ножом. Шлифовальный круг осуществляет движение резания
и радиальную (поперечную) подачу на двойной ход круга.
Точность обработки при бесцентровом шлифовании по диаметру
можно получить 6.,.7-го квалитета, а точность на концентричность
и параллельность осей внутреннего отверстия и наружной поверхнос-
ти — до 0,003 мм. Этим методом можно шлифовать детали со сквоз-
ными и глухими отверстиями диаметром от 10 до 200 мм, при этом
достигается высокая точность равностенности.
Хонингование, Применяется для точной обработки предваритель-
но развернутых, расточенных или шлифовальных сквозных и глухих
цилиндрических, конических и ступенчатых отверстий. Обработка
осуществляется головкой, несущей по окружности абразивные брус-
ки. Головка (хон) совершает одновременно вращательное (v = 30...
60 м/мин) и возвратно-поступательное движения (v « 10...15 м/мин),
обрабатываемая деталь остается неподвижной. Бруски в процессе
обработки раздвигаются (радиальная подача). Раздвижение абразив-
ных брусков в радиальном направлении осуществляется механичес-
ким, гидравлическим или пневматическим устройством. Давление
брусков на поверхность детали 0,2... 1 МПа.
Абразивные хонинговальные бруски изготавливают из электроко-
рунда, карбида кремния (карборунда), элъбора (кубического нитрида
бора) и др. Алмазные бруски дают лучшие результаты — их стой-
кость в десятки раз превышает стойкость абразивных инструментов.
Для изготовления алмазных брусков применяют зерна в основном
синтетических и реже природных алмазов.
Процесс хонингования осуществляется с обязательным применени-
ем жидкости, выполняющей охлаждающее, смазывающее и вымыва-
ющее действия. При обработке чугуна используют керосин, а для
стали — смесь из веретенного масла (25 %) и керосина (75 %).
Значение припуска на хонингование для отверстий диаметром
25...500 мм составляет 0,02...0,20 мм для чугунных деталей и 0,01—
0,08 мм — для стальных.
Хонингование производится иа специальных станках: вертикаль-
ных и горизонтальных, одно- и многошпиндельных.
В процессе хонингования устраняются овальность, конусность,
бочкообразность и другие погрешности формы, обеспечивается точ-
224
ность отверстия 6... 7-го квалитета, шероховатость Ra — 0,32___
0,04 мкм.
Основное время (в мин) для хонинг-процесса определяется по
формулам
VB.n1000
2ZX ’ *
♦ 2Zn - Z6p>
где z — припуск на сторону, мм; Sn — радиальная подача на один
двойной ход хонинговальной головки, мм; п — число двойных ходов
хонинговальной головки в мин; v — скорость возвратно-поступа-
тельного движения, м/мин, (vBп = 12... 15 м/мин); I* — ход хонинго-
вальной головки, мм; I — длина обрабатываемого отверстия, мм; /п —
перебег головки, мм, (/п = 12...25 мм); /бр — длина абразивного
бруска, мм.
Новые конструкции хонинговальных головок с большей рабочей
поверхностью и большей твердостью абразивных брусков с примене-
нием увеличенных удельных давлений брусков на обрабатываемую
поверхность позволяют снимать большие припуски и сокращают
время обработки в 2...3 раза по сравнению с обычными конструкция-
ми головок.
Притирка (доводка) отверстий. Используется как отделочная
абразивная обработка для получения поверхностей шероховатостью
Ra = 0,16...0,01 мкм и точностью размеров 6-го квалитета. Притирка
выполняется мелкозернистым абразивом, зерна которого свободно
распределены в пасте или суспензии. Инструментом служит притир,
на поверхность которого наносится паста или суспензия. Притир
совершает вращательное и возвратно-поступательное движения с
малым удельным-давлением. Во время работы притир поливается
керосином.
Доводочные материалы. Для доводки отверстий в деталях из
сталей и чугунов пасты, суспензии и бруски изготавливают из элек-
трокорунда, карбида кремния, карбида бора, алмаза, окиси хрома.
Грубую доводку осуществляют шлифпорошками зернистостью 5—3;
микропорошки М28...М14 применяют-для предварительной доводки
и микропорошки М10...М5 — для окончательной доводки. Для полу-
чения поверхности с шероховатостью выше 0,01 применяют еще
более тонкие микропорошки МЗ...М1 и субмикропорошки МОЛ-
МО,? (с размером зерна 0,5—0,2 мкм).
Доводочные пасты различают: абразивные на основе электроко-
рунда, карбида кремния и карбида бора (зернистостью М20...МЗ);
алмазные на основе синтетических алмазов (зернистостью 100,.. 1 мкм
8 Зак 1398
225
и мельче) и химико-механические на основе окиси хрома (пасты
ГОИ). В качестве связующих материалов в пастах применяют стеа-
рин, парафин, вазелин и олеиновую кислоту.
Притиры изготавливают из чугуна, стали, латуни, меди и других
материалов, более мягких, чем материал обрабатываемой детали.
Благодаря этому абразивные зерна вдавливаются и удерживаются в
поверхностном слое притира. Вдавливание (шаржирование) абра-
зивных зерен в поверхность притира производится заранее (стальным
роликом) или в процессе обработки.
10.4.	ОБРАБОТКА ОТВЕРСТИЙ ПОВЕРХНОСТНЫМ
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ (ППД)
Этот вид обработки заключается в ППД поверхностного
слоя отверстия детали, сопровождающемся сглаживанием микроне-
ровностей на поверхности и повышением точности отверстия. Обра-
ботка ППД осуществляется следующими методами: дернованием,
раскатыванием роликами и шариками, алмазным выглаживанием.
В процессе дернования инструмент (дорн) определенной формы,
не имеющий режущих зубьев, проталкивается (протягивается) через
обрабатываемое отверстие, имеющее несколько меньшие размеры,
чем дорн. Дернование применяют для сквозных отверстий, обеспечи-
вая точность 6...7-го квалитета и шероховатость поверхности Ra =
= 0,32...0,08 мкм. Диаметр отверстия после дернования получается
меньше диаметра инструмента вследствие упругого восстановления.
Величина натяга при дерновании зависит от многих факторов —
механических свойств обрабатываемого материала, шероховатости
поверхности, смазки и т.п. Для отверстий диаметром 10... 15 мм натяг
составляет 0,05...0,15 мм. В процессе дернования применяется смаз-
ка: минеральное масло — для обработки стальных и бронзовых дета-
лей и керосин — для обработки деталей из чугуна. Скорость дернова-
ния 2... 7 м/мин. Детали из цветных сплавов и чугунов обрабатывают
дорном из сталей У12А, Х12М, Р18, ХВ5 и др. Для деталей из сталей
дорны изготавливают из сталей Х12Ф или 38ХМЮА с азотированием
или хромированием поверхностей. Дорны, оснащенные твердым
сплавом ВК8 или Т5К10, являются наиболее стойкими.
Дернование осуществляется на прессах или на протяжных стан-
ках.
Алмазное выглаживание является более перспективным методом
отделочной обработки отверстий. Алмаз отличается высокой твер-
достью и износостойкостью, незначительным коэффициентом тренйя
226
при скольжении по различным металлам и сплавам. Алмазное выгла-
живание можно применять для обработки отверстий деталей из
закаленных сталей (HRC - 60), коррозионно-стойких и жаропрочных
сталей и сплавов.
10.5.	ОБРАБОТКА ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ
И ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ
Обработка глубоких отверстий. Глубокими называются
отверстия, у которых длина в 10 и более раз превышает их диаметр.
Технологический процесс обработки глубокого отверстия разраба-
тывается в зависимости от размеров и точности отверстия, конфигу-
рации, массы и материала обрабатываемой детали.
Большинство точных глубоких отверстий изготавливаются по
8... 11 квалитету; овальность и конусность не должны превышать
0,2...0,25 допуска диаметра отверстия. Допускается отклонение оси
отверстия от прямой линии 0,2...0,4 мм на 1 м длины отверстия,
шероховатость поверхности выдерживается Ra = 1,25...0,32 мкм, реже
Ra — 5... 1,25 мкм.
Глубокое сверление значительно сложнее обычного: возрастает
опасность отклонения оси отверстия от оси детали (увод отверстия),
затруднены охлаждение сверла в зоне резания и извлечение стружки
из отверстия во время работы.
Глубокие отверстия можно сверлить тремя методами: вращение и
движение подачи сообщается инструменту, вращение сообщается
детали, а движение подачи — инструменту; вращение сообщается
детали и инструменту в противоположные стороны, а подача —
инструменту.
Вращающимся инструментом можно сверлить глубокие отвер-
стия в громоздких деталях, вращение которых невозможно или
затруднено. Вращение сверла позволяет вести обработку на высоких
скоростях резания, ограничиваемых только стойкостью сверла. Этим
методом обрабатывают глубокие отверстия на агрегатных, вертикаль-
но- и радиально-сверлильных станках.
Основным недостатком этого метода является опасность увода оси
отверстия, причинами которого могут быть несимметрия заточки
режущих кромок сверла, неравенство углов заточки, неправильная
установка детали, неоднородность обрабатываемого материала и др.
В этом случае отверстие обрабатывается в основном спиральными
сверлами, что при значительной глубине отверстия вызывает спрессо-
вание стружки в канавках сверла. Во избежание поломки сверла
приходится периодически его выводить из отверстия, а это Снижает
производительность труда. При сверлении этим методом затруднен
также подвод охлаждающей жидкости в зону резания.
8*
227
Сверление глубоких отверстий на горизонтально-сверлильных
станках, когда вращается деталь, а подача осуществляется сверлом,
обеспечивает существенное уменьшение увода оси обрабатываемого
отверстия.
Основным недостатком данного метода является трудность обеспе-
чения высоких скоростей резания, особенно при обработке крупнога-
баритных деталей. Такие детали обычно вращаются с малой часто-
той, и обработка их ведется быстрорежущим инструментом. Поэтому
метод глубокого сверления с вращением только детали для крупнога-
баритных изделий малопроизводителен.
Наиболее производительным является метод сверления глубоких
отверстий при одновременном вращении инструмента и детали в
противоположных направлениях. Сверло вращается с большей
частотой, чем обеспечиваемая высокая скорость резания. Обработка
этим методом осуществляется на горизонтально-сверлильных стан-
ках, имеющих устройства для вращения режущего инструмента
(станки вертлюжного типа).
При глубоком сверлении различают сплошное и кольцевое сверле-
ния. При сплошном сверлении- весь объем металла из обрабатываемо-
го отверстия измельчается в стружку, а при кольцевом сверлении в
стружку превращается только металл кольцевой полости. В центре
отверстия остается стержень (керн). Сплошным сверлением обраба-
тывают отверстия диаметром до 100 мм, при больших диаметрах
рекомендуется кольцевое сверление. Если же отверстие глухое, то
целесообразно применять только сплошное сверление. При сверлении
очень глубоких отверстий (l/d > 80) или сверлении отверстий в
деталях из труднообрабатываемых материалов применяют двусторон-
нее сверление.
При глубоком сверлении важен правильный выбор конструкции
сверла. Для размельчения стружки и надежного ее удаления из
отверстия большое значение имеет расположение режущих кромок
инструмента. В зависимости от этого различают сверла, работающие
методом деления стружки по ширине и толщине.
Сверла, работающие по первому методу, называются сверлами
одностороннего резания. Независимо от числа резцов их режущие
кромки образуют как бы единую режущую кромку. При этом нет
необходимости в точной установке резцов по торцу сверла. Сверла,
работающие делением стружки по толщине, называются сверлами
двустороннего резания или с двусторонним расположением резцов;
длина режущей кромки каждого резца равна глубине резания. В этом
случае подача на один оборот сверла распределяется между обоими
резцами. Точная установка резцов по торцу инструмента затруднена.
Сверла двустороннего резания дают больший увод оси отверстия, чем
228
сверла одностороннего резания. По этим причинам данный метод не
нашел распространения при глубоком сверлении отверстий.
Для глубокого сверления большое значение имеют форма и разме-
ры отходящей стружки. Стружка лучше удаляется из обрабатываемо-
го отверстия в форме мелких завитков или кусочков. Такая форма
стружки достигается особой заточкой режущих частей сверла —
образованием на его передней поверхности порожков строго опреде-
ленной формы и размеров.
Глубокое сверление осуществляется с применением смазочно-
охлаждающих жидкостей: сульфофрезола, содержащего 1,5—25 %
серы и минеральных масел, включающих в себя % серы,
подаваемых под давлением 100...500 кПа. Реже применяется жирная
эмульсия.
Обработка отверстий сверлами одностороннего резания осущес-
твляется'с подачей 0,01—0,1 мм/об и скоростью до 100...200 м/мин
и более. Сверла двустороннего резания из быстрорежущей стали
работают при подаче 0,15—0,5 мм/об и скорости резания 15...
40 м/мин. При кольцевом сверлении отверстий диаметром 60...
200 мм в заготовках из сталей ов - 0,75...1 ГПа, подача 0,1...
0,3 мм/об, скорость резания 140... 120 м/мин.
Дальнейшее повышение точности диаметра и уменьшение шеро-
ховатости поверхности достигается последующей обработкой зенкеро-
ванием, растачиванием, развертыванием или протягиванием. Зенке-
руют и развертывают глубокие отверстия с применением обратной
подачи. Инструмент не проталкивается в отверстие, а протягивается
через него, чтобы тонкая державка работала на растяжение, а не на
сжатие.
Для получения глубоких отверстий в труднообрабатываемых
материалах в последнее время применяют физико-химические про-
цессы: электроэрозионный, анодно-механический, ультразвуковой и
др. Многие из этих методов в отличие от сверления не требуют для
изготовления отверстия вращения заготовки и инструмента, обеспе-
чивают изготовление отверстий не только круглого сечения, но и
других профилей.
Обработка отверстий малых диаметров. Обработка лезвийным и
абразивным инструментом малых отверстий во многом подобна ранее
рассмотренной обработке обычных отверстий. В авиационном двига-
телестроении малые отверстия в деталях из конструкционных сталей
и сплавов диаметром свыше 0,5 мм предпочитают изготавливать
механической обработкой, отверстия меньших размеров в основном
обрабатывают физико-химическими методами, а отверстия диамет-
ром 0,3 мм — только физико-химическими методами (см. гл. 14).
229
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Какими способами обрабатывают отверстия лезвийным инструментом?
2.	Когда целесообразно обрабатывать отверстия абразивным инструментом?
3.	Как обрабатывают глубокие отверстия?
глава 11. ОБРАБОТКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Многие детали машин имеют форму линейчатой поверхности,
представляющую плоскости различных размеров, уступы, пазы,
грани, окна, гнезда, а также торцевые поверхности, образованные
вращением прямой линии, расположенной перпендикулярно к оси
вращения. Разнообразие линейчатых поверхностей привело к разви-
тию различных методов обработки. Основными методами являются
строгание, долбление, фрезерование, протягивание и шлифование.
11.1.	ОБРАБОТКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
СТРОГАНИЕМ И ДОЛБЛЕНИЕМ
Строгание плоских поверхностей производится резцами
на поперечно- и продольно-строгальных станках. Для обработки
очень широких или узких и длинных поверхностей крупногабарит-
ных заготовок деталей применяются продольно-строгальные станки,
а для обработки малогабаритных деталей используют поперечно-
строгальные станки. На поперечно- и. продольно-строгальных станках
выполняются обработка горизонтальных, вертикальных и наклонных
плоскостей и прорезание прямолинейных канавок различного профи-
ля, например Т-образных пазов, пазов типа ласточкина хвоста, а
также различного рода фасонных линейчатых поверхностей.
Обработка внутренних линейчатых поверхностей, как, например,
прорезание во втулках шпоночных канавок или обработка глухих
многогранных отверстий, а также обработка наружных ограниченного
хода в упор многогранных и фасонных линейчатых поверхностей
производится на долбежных станках.
При обработке на продольно-строгальном станке заготовка детали
совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Резец, установленный на суппорте, перемещается относительно
обрабатываемой детали в поперечном направлении на величину
подачи, совершаемой после каждого двойного хода стола. В попереч-
но-строгальных станках главное движение — резание — совершает
резец, движение подачи — стол станка. Как в этом, так и другом
случае процесс резания осуществляется прерывисто. Стружка снима-
230
ется с обрабатываемой поверхности только в одном направлении при
рабочем ходе стола, в обратном направлении совершает холостой ход
со скоростью, превышающей обычно скорость рабочего хода в 2...
3 раза. Потери времени на холостые ходы делает строгание менее
производительным способом обработки по сравнению с непрерывными
процессами, например фрезерованием или протягиванием. Обработка
на строгальных станках производится при сравнительно малых
скоростях резания, что ограничивает возможность повышения их
производительности путем интенсификации режимов обработки.
Основным резервом повышения производительности обработки на
строгальных станках является применение одновременно нескольких
резцов на одной державке и совмещение во времени обработки
нескольких поверхностей.
Основное время при строгании определяется по формуле
В + х .
(11.1)
где В ~~ ширина обрабатываемой поверхности или глубина паза, мм;
х — боковое врезание и перебег резца, мм; и.дв х — число двойных
ходов стола или ползуна в минуту; S — подача резца за один двойной
ход, мм; i — число проходов.
Число двойных проходов
„ = V-1000
двх L(l+m)’
(11.2)
где L - I + у — длина хода стола, равная длине строгаемой поверхнос-
ти I плюс величина подхода и перебега резца у; -т - vp x/vx — отно-
шение скорости рабочего хода стола к скорости холостого хода.
Точность обработки и состояние поверхностного слоя деталей при
строгании зависят от режимов, геометрических параметров режущего
инструмента, а также от квалификации рабочего. Средняя точность
обработки 11...13-й квалитет, шероховатость поверхности в пределах
Ra - 20... 10 мкм.
Долбление применяется преимущественно для обработки внутрен-
них контуров деталей, когда невозможно или затруднительно выпо-
лнить эту операцию другими, более прогрессивными методами или
в условиях единичного производства. Процесс резания при долблении
прерывистый и по своей природе сходен со строганием^. Долбление
особенно часто применяется для обработки шпоночных канавок.
Основное (машинное) время долбления канавок определяется по
формуле
231
в
nR3.XS
(11.3)
гае В — глубина канавки, мм; кдах — число двойных ходов в минуту; ,
5 — подача на один двойной ход, мм.
11.2.	ОБРАБОТКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ФРЕЗЕРОВАНИЕМ
В серийном производстве плоские поверхности обрабаты-
ваются преимущественно фрезерованием, т.е. методом более произво-
дительным, чем строгание. При обработке поверхностей фрезерова-
нием главным движением резания является вращение фрезы. Обраба-
тываемой заготовке сообщается поступательное движение в продо-
льном или поперечном направлениях (подача). Применяются два
основных способа фрезерования плоских поверхностей: фрезерование
цилиндрической и торцевой фрезой (рис. 11.1).
Фрезерование цилиндрическими фрезами может
производиться двумя способами: а) встречное фрезеро-
вание, когда фреза вращается против направления подачи; б)
попутное фрезерование, когда направление вращения
фрезы совпадает с направлением подачи. При первом способе фрезе-
рования толщина стружки увеличивается от 0 до максимального
значения, при этом в результате скольжения режущей кромки зуба
фрейм по обрабатываемой поверхности на последней образуется
деформированный слой. При втором способе фрезерования толщина
стружки постепенно уменьшается, качество поверхности получается
несколько лучше, чем при первом способе фрезерования. Однако
Рис, 11.1. Схемы фрезерования-.
а — цилиндрической фрезой; б — торцевой фрезой
232
процесс резания происходит с ударами, вызывающими вибрации,
поэтому этот способ фрезерования можно применять только на
станках, обладающих повышенной жесткостью конструкции, с
устройствами для устранения люфта в ходовом механизме. Фрезеро-
вание плоских поверхностей торцевыми фрезами более
производительно, чем цилиндрическими, кроме того, шероховатость
обработанной поверхности получается значительно меньше, чем при
фрезеровании цилиндрическими фрезами. Поэтому в серийном
производстве при обработке плоских поверхностей, особенно крупно-
габаритных корпусных деталей, преимущественно применяют торце-
вое фрезерование, используя при этом фрезы большего диаметра со
вставными резцами (ножами). В обычных условиях точность обработ-
ки при фрезеровании достигает 8... 11-го квалитетов, а при скорос-
тном и тонком фрезеровании — 6...7-го квалитетов.
Основное (машинное) время при цилиндрическом и торцевом
фрезеровании определяется по формуле
где L = I + х + у — расчетная длина фрезерования, мм; Sz — подача
на зуб фрезы, мм; г. — число зубьев фрезы; п — частота вращения
фрезы, об/мин; i — число ходов.
Величина врезания фрезы х для цилиндрического фрезерования
х = \[z(D	t),
(11.5)
где t — глубина фрезерования, мм; D — диаметр фрезы, мм.
Для торцевого фрезерования значение врезания фрезы
х = 0.51
(в - \/л2 - в2)
tg<P ’
(11.6)
где В — ширина фрезерования, мм; <р — главный угол фрезы в плане.
Перебег фрезы у принимается равным 2...5 мм в зависимости от
диаметра фрезы.
При фрезеровании плоских поверхностей'имеются широкие воз-
можности повышения производительности обработки путем увеличе-
ния числа одновременно обрабатываемых заготовок, числа одновре-
менно работающих режущих инструментов и интенсификации режи-
мов резания. При фрезеровании плоскостей небольших размеров
233
целесообразно производить обработку на многоместных приспособлю .
ниях, используя всю длину рабочего хода стола фрезерного станка. -
।	Производительность и эффективность фрезерования плоских
поверхностей в значительной степени зависят от конструкции и
। технологических возможностей фрезерного станка. Фрезерные станки
изготавливаются различных типов: горизонтальные, вертикальные, >
। продольно-фрезерные, карусельно-фрезерные, барабанно-фрезер- г
ные, фрезерные автоматы и фрезерные станки с ЧПУ. Продольно- .
। фрезерные станки рассчитаны на обработку плоскостей с двух или
трех сторон и применяются для обработки крупногабаритных корпус- j
। ных деталей. Барабанно-фрезерные станки служат для обработки
параллельных плоскостей детали одновременно с двух сторон. Этот л
| метод обработки отличается высокой производительностью.
11.3.	ОБРАБОТКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ПРОТЯГИВАНИЕМ
Протягивание — высокопроизводительный процесс
I обработки наружных и внутренних поверхностей деталей, широко
применяющийся в серийном и массовом производствах. Протягивание .
| плоских поверхностей осуществляется многолезвийным инструмен- .
том — протяжкой, представляющей собой стержень с расположен-
| ными вдоль него режущими зубьями соответствующего профиля.
Каждый последующий зуб протяжки имеет размеры больше предыду-
। щего на величину подачи. За один проход протяжки снимается весь
припуск металла по всей ширине обрабатываемой поверхности. На
протяжке кроме основных режущих зубьев имеются калибрующие
зубья, которые придают обрабатываемой поверхности заданную •
точность и шероховатость. Для протягивания плоских поверхностей
। применяются различные конструкции протяжных станков —• верти-
кальные, горизонтальные, карусельные и протяжные туннельного
I	типа.
Для протягивания наружных плоскостей преимущественно приме-
I	няются протяжные станки вертикального типа одинарного или двой-
ного действия. Последние имеют два ползуна с протяжками, работа-
| ющими попеременно, что дает возможность производить установку
и закрепление детали в процессе работы станка на другой позиции.
। Скорость резания при протягивании достигает 20 м/мин.
Значение припуска при наружном протягивании плоских повер-
। хностей по необработанной поверхности принимается от 2 до 6 мм,
по обработанной — от 0,5 до 1 мм. При протягивании необработанных
। поверхностей (поковок), имеющих на поверхности корку, обычными
плоскими протяжками зубья протяжки быстро тупятся и даже выкра-
। шиваются. В этих случаях применяют прогрессивное протягивание
234
специальными протяжками, у которых режущие кромки расположены
наклонно по отношению к направлению их движения. Металл при
этом срезается не по всей ширине обрабатываемой поверхности, а
узкими полосками, ширина которых с каждым зубом протяжки
увеличивается, и только калибрующие зубья зачищают обрабатывае-
мую поверхность по всей ширине. Таким образом, за один проход
протяжки полностью обрабатывается вся поверхность с высокой
точностью. Шероховатость поверхности при наружном протягивании
соответствует Ra — 2,5...0,63 мкм.
Для обработки плоских поверхностей в крупносерийном и массо-
вом производствах применяют высокопроизводительные протяжные
станки непрерывного действия с карусельным столом, барабаном или
с цепным транспортером, на которых в приспособлениях располага-
ются обрабатываемые заготовки. Процесс обработки поверхности
заготовок осуществляется путем непрерывного перемещения их
относительно неподвижных протяжек.
11.4.	ОБРАБОТКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШЛИФОВАНИЕМ
Шлифование применяется как для черновой, так и для
чистовой обработки плоскостей. Существуют два основных метода
шлифования: периферией и торцем шлифовального круга. На
рис. 11.2 приведены основные схемы шлифования плоскостей.
Плоское шлифование торцем круга получило
большое распространение при обработке поверхностей крупногабарит-
ных деталей, особенно при черновом шлифовании. Припуск при
черновом шлифовании дается несколько меньше, чем при фрезерова-
нии н строгании. При больших припусках черновое шлифование
оказывается неэкономичный. При черновом шлифовании применяют
круги больших диаметров, состоящие из отдельных брусков или
сегментов, закрепленных на металлическом диске. При работе таки-
ми кругами создаются более благоприятные условия процесса шли-
фования, уменьшается выделение тепла, улучшается удаление пыли
и мелкой стружки, образующихся при шлифовании, повышается"
безопасность работы и др. Однако такие круги требуют тщательной
балансировки. Черновое шлифование производится крупнозернисты-
ми абразивными кругами со скоростью до 60 м/с. Чистовое шлифо-
вание плоскостей производится преимущественно цельными мелко-
зернистыми кругами. При шлифовании торцевой частью круга при-
меняют круги чашечной или тарельчатой формы. Шлифование
торцем круга — более производительный метод обработки плоскостей,
чем шлифование периферией, но он менее точен. При чистовом
235
Рис. 11.2. Схемы плоского шлифования;
а — торцем круга на' станках продольного типа; б — торцем круга на станках кару-
сельного типа; в — периферией круга на станках продольного типа; г — периферией
круга на станках карусельного типа
236
пЩифовании легко достигается высокая точность обработки (6-й
кДалитет) и шероховатость поверхности Ra = 0,63...0,15 мкм.
। Основное (машинное) время для шлифования периферией круга
на-станках продольного типа определяется по формуле
'>	( = IB + 2x)z 1 k
I	° £ш5видв.х m
(11.7)
где 'В — ширина шлифуемой поверхности, мм; х — боковой сход
круга, мм; z — припуск на сторону, мм; — поперечная подача по
ширине детали, мм; SB — вертикальная подача круга на один проход,
мм; «дв х — число двойных ходов стола в минуту; к — коэффициент
доводки, учитывающий точность шлифования, изменяющийся в
пределах от 1,1 до 1,8; т — число деталей, одновременно устанавли-
ваемых на столе станка.
Основное (машинное) время при шлифовании периферией круга
на станках карусельного типа определяется по формуле
t = {В + 2x)z 1
° SmSJT m
(11.8)
где п — частота вращения стола, об/мин.
Основное (машинное) время для плоского шлифования торцем
круга на станках карусельного типа определяется по формуле
Поперечная подача принимается от 0,5 до 0,8 ширины круга.
Основное (машинное) время при шлифовании торцем круга на
станках продольного типа (ширина шлифуемой поверхности меньше
диаметра круга) определяется по формуле
где L — длина хода стола, мм; v — скорость продольного хода стола,
м/мин; 5В — вертикальная подача круга на один проход, мм.
237
11.5.	ОБРАБОТКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИТИРКОЙ,/
ПОЛИРОВАНИЕМ И ШАБРЕНИЕМ	/
Чистовая обработка плоских поверхностей производится
доводкой, притиркой, полированием и шабрением. Первые три мето-
да обработки осуществляются абразивными порошками и пастами с
помощью притиров, последний — с помощью металлического инстру-
мента — шабера. При притирке порошки наносятся тонким слоем на
жесткий или мягкий притир. Предварительная притирка плоских
поверхностей производится с помощью относительно мягкого притира
(бронзы, красной меди, свинца, дерева) и твердых абразивов (нажда-
ка, корунда, карбокорунда, алмазной пыли) с зернистостью М28,
М20, Ml4, М10 и др. С мягкими притирами эти абразивы легко
шаржируются и обеспечивают высокую производительность предва-
рительной притирки. Для чистовой притирки плоскостей.применяют-
ся твердые притиры из стали и стекла с применением нешаржирую-
щихся материалов типа венской извести, окиси хрома, окиси железа.
Припуск на притирку оставляется порядка 0,005...0,025 мм на сторо-
ну. После притирки можно получить шероховатость поверхности,
соответствующую Ra - 0,08...0,01 мкм.
Шабрением называется процесс чистовой обработки плоских
поверхностей путем удаления с них очень тонкого слоя металла
соскабливанием металлическим 1пабером. Шабрение плоских повер-
хностей весьма трудоемкий процесс, выполняемый преимущественно
вручную рабочим высокой квалификации. Процесс шабрения осущес-
твляется следующим- образом. Вначале на поверочную плиту наносят
тонкий слой краски (сурик, сажа, синька), затем обрабатываемую
поверхность кладут на плиту и слегка перемещают деталь на ней, в
результате чего на возвышениях поверхности прилипает слой краски,
тогда как прочие места остаются чистыми. Окрашенные таким обра-
зом места обрабатывают шабером. Эту операцию повторяют до тех
пор, пока краска не будет покрывать равномерно всю обрабатывае-
мую поверхность. Тогда краску с поверочной плиты удаляют, плиту
насухо протирают и изделие перемещают по поверочной плите, при
этом возвышенные места обрабатываемой поверхности обозначаются
светлыми пятнами. О качестве шабрения судят по числу таких пятен
на 1 см2 обрабатываемой поверхности. Обработка считается хорошей,
если число пятен составляет 5...6 на 1 см2.
Для снижения трудоемкости шабрения применяют механический
способ выполнения этой операции, осуществляемой при помощи
специальных' станков, на которых шабер получает возвратно-
поступательное движение от электродвигателя небольшой мощ-
ности.
238
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
и. В каких случаях целесообразно обрабатывать плоские поверхности строганием,
долблением и фрезерованием?
2.	Какими способами можно шлифовать плоские поверхности?
Каковы технологические возможности обработки плоских поверхностей притир-
кой, уолированием и шабрением?
г л А® а 12. ОБРАБОТКА ФАСОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Фасонные поверхности по условиям общности методов обработки
делят на группы: фасонные поверхности вращения (конические,
сферические, с произвольным профилем), прямолинейно-фасонные
и объемно-фасонные. Из них выделяют и отдельно рассматривают
обработку резьбовых поверхностей (см. гл. 13).
В зависимости от формы,’ размеров фасонной поверхности, мас-
штаба производства применяют методы обработки:
а)	на двух-пяти координатных станках с ЧПУ;
б)	автоматическим копированием с помощью следящей подачи от
копира, эталона;
в)	сложением движений в разных направлениях;
г)	с помощью механизмов, преобразующих задающую подачу в
требуемую траекторию инструмента или детали;
д)	фасонным инструментом.
Последний метод самый производительный, ио при лезвийной
обработке требует высокой жесткости технологической системы.
Чтобы ускорить технологическую подготовку производства, фасонные
поверхности обрабатывают лишь при чистовых переходах, а на
предварительных получают ступенчатую или упрощенную повер-
хность, но с допустимыми колебаниями припуска.
12.1. ОБРАБОТКА КОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Конические поверхности с образующей, наклоненной к
оси на угол а, в основном обрабатываются методами точения и шли-
фования. При длине образующей до 50 мм в зависимости от жесткос-
ти детали их можно обрабатывать одним или несколькими широкими
резцами. Из-за вибраций и появления неравномерно наклепанного
поверхностного слоя последующее чистовое точение выполняется
методом перемещения резца вдоль образующей. Для этого в универ-
сальных станках поворачивают верхние салазки и обработку ведут
вручную или пользуются сложением продольной S и поперечной
£поп подач при Snon/Snp = arctga или применяют следящую подачу
239
в труднодоступных полостях поворот суппортов или резцедержателей
проще обеспечивать рычажными механизмами (см. рис. 12.1, б).
I Для обеспечения более высокой (до 6-го квалитета) точности
центра сферы, а также самой сферы при твердости материала свыше
HRC-40 сферы шлифуют. Небольшие сферы шлифуют фасонными
кругами, заправляемыми алмазными карандашами с поворотным
механизмом. Наиболее прост и точен метод шлифования чашечными
кругами, если они могут охватить обрабатываемую поверхность: не
требуется заправлять режущую ленточку по форме сферы и достаточ-
но только подачи вдоль оси круга на деталь. Прецизионную притирку
сферических поверхностей с помощью притиров и абразивных паст
также рекомендуется выполнять по схеме чашечного инструмента
(смДрис. 12.1, в).
12.3. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ
ПРОИЗВОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ
Самым гибким й широко используемым методом обработ-
ки фасонных поверхностей вращения произвольного профиля являет-
ся точение на станках с контурной системой ЧПУ, одновременно
управляющей, двумя координатами перемещения резца (X и Z). Они
обеспечивают 7-й квалитет точности и шероховатость до Ra =
= 1,25 мкм. Из-за сложности доступа к некоторым обрабатываемым
участкам применяются специальные инструменты: державки, резцы.
Но форма их режущей части максимально упрощается (радиусная,
лопаточная), так как управляющая программа обеспечивает любую
траекторию. На рис. 12.2 дан инструментальный переход расточки
фасонного ’’кармана” у дна достаточно глубокого отверстия диска-
вала турбины. Обзор зоны обработки невозможен и не требуется.
Съем припуска осуществляется на следующих участках траектории
настроечной точки лопаточного резца: 3...4 — прорезание канавки,
6...9 — ее расширение и углуб-
ление, 11. ..15 — получистовое
точение левой части фасонного
кармана, 17...22 — получисто-
вое точение правой части кар-
мана. На этих участках обеспе-
чено направление силы реза-
Рис. 12.2. Точение фасонной повер-
хности произвольного профиля по
управляющей программе (1...24 —-
опорные точки)
241
суппорта (поперечную или продольную) от копировальной линейки
с регулируемым углом наклона (O...450) к задающей подаче. В токар-
ных автоматах используют специальные суппорты с наклонными
направляющими. Достигаемая при точении точность 7...8-Й квалитет.
Для повышения точности, а также при обработке закаленных сталей
конические поверхности шлифуют: поворотом стола на угол до 7°,
поворотом передней бабки (в обоих случаях продольные подачи
совершает стол станка с деталью); поворотом шлифовальной бабки.
Малые конические отверстия после сверления обрабатывает: а)
при конусности 1/50...1/30 конической разверткой; б) при конуснос-
ти 1/20 — двумя коническими развертками; в) при конусности
1/16... 1/8 — коническим зенкером, затем разверткой; г) при больших
конусностях под конический зенкер предварительно обрабатывают
ступенчатое отверстие ступенчатым зенкером или двумя сверлами.
Достигаемая точность 6...7-й квалитет.
12.2. ОБРАБОТКА СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Сферические поверхности небольших размеров обтачива-
ются, растачиваются фасонными резцами. Характерная последова-
тельность позиций расточки на автомате небольшой сферы (рис. 12.1)
— обдирка ступенчатым резцом / (см. рис. 12.1, а) совмещена с
черновой расточкой фасонным резцом 2. Получистовая расточка
выполняется при помощи круговой подачи резца (зубчатореечным
или червячным механизмом), обеспечивающей точность центра
сферы до 0,04. Чистовая калибровка диаметра сферы с точностью до
6-го квалитета достигается плавающей расточной пластиной. Для
обточки и расточки крупных сфер, а также расточки небольших сфер
Рис. 12.1. Точение и шлифование сферических поверхностей:
а — методом копирования (/ — предварительный. 2 — окончательный, фасонные
резцы); б — с помощью рычажного механизма; в ~ сложением движений (осевой
подачи чашечного круга' и вращения заготовки)
240
ния, выбирающее люфты в одном направлении и прижимающее
резец к установочным элементам резцедержавки. Но из-за этого /в
точке 22 появляется стык участков, обработанных в разных проходах
— технологический концентратор напряжений. Его убирают на
следующем инструментальном переходе чистовым точением с малым
припуском резцом с круглой режущей пластинкой.	I
Метод копирования применяют при обработке фасонных повер-
хностей вращения на токарных копировальных полуавтоматах и
токарных или круглошлифовальных станках, оснащенных следящим
устройством, например гидросуппортом и устройством для крепления
и регулирования положения сменных копиров-шаблонов. Плоские
копиры-шаблоны из закаленной стали надежнее сохраняют профам-
му обработки данной фасонной поверхности, чем магнитные и другие
носители программы станков с ЧПУ. Копировальные полуавтоматы
часто снабжаются недорогой системой циклового программного
управления, позволяющей быстро налаживать циклы обработки по
копиру различных суппортов в нужной последовательности. Для
автоматизации многопроходных операций (черновых, чистовых)
станки снабжаются многосекторными копиродержателями с автомати-
ческим делительным устройством. В них устанавливают по 2...4
плоских копира, которые после окончания предшествующего прохода
поворачиваются, и к следящему щупу подводится очередной копир
для следующего прохода. Точность —- как при обработке на станках
с ЧПУ. Область рационального использования — крупносерийное
производство больших деталей.
Обработка фасонными резцами и шлифовальными кругами повер-
хностей вращения тем рациональнее, чем короче обрабатываемый
участок и больше программа выпуска изделий. Производительность
этих методов, выполняемых врезанием, существенно выше ранее
рассматриваемых. При соблюдении требований достаточной жесткос-
ти фасонными резцами можно обрабатывать участки длиной до
50 мм. Для сохранения формы фасонной режущей кромки при пере-
точках применяют дисковые и призматические фасонные резцы. Для
улучшения условий резания рекомендуется обычную поперечную
подачу заменять тангенциальной. Точность поверхностей, обработан-
ных фасонными резцами, 7...8-й квалитет, путем калибрования в
конце рабочего хода при нескольких оборотах детали без подачи
резца ее можно повысить до 6-го квалитета.
Фасонные отверстия малого диаметра обрабатывают фасонными
перовыми сверлами, зенкерами, расточными пластинами на станках
(расточных, револьверных, сверлильных, токарных автоматах).
Высокоточные фасонные поверхности вращения произвольного
профиля шлифуют профилированными абразивными кругами с
242
Imo до 6-го квалитета и шероховатостью до Ra = 0,32 мкм.
□носа круги часто правят: а) алмазным карандашом с по-
копира (следящая подача может передаваться на алмазный
п непосредственно или с помощью масштабирующего пантог-
ззволяющего увеличить копир и точность правки); б) алмаз-
зандашом или узким алмазным кругом, перемещаемым по
ющей программе прецизионными устройствами правки с
: системой автоматического контроля фактического профиля
его коррекции (этот метод находится в стадии развития —
гивен для ГАП); в) алмазной гребенкой с фасонным профи-
лем (для серийного производства) или алмазным роликом (кругом)
накатыванием (или шлифованием). Последний метод обеспечивает
высокую стабильность точности шлифуемых деталей, рекомендуется
в крупносерийном производстве.
12.4. ОБРАБОТКА ЛИНЕЙЧАТЫХ ФАСОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Линейчатые фасонные поверхности получаются движени-
ем образующей прямой линии по определенному закону вдоль на-
правляющей кривой линии. Наиболее распространены поверхности
с направляющей плоской кривой и образующими, перпендикулярны-
ми ее плоскости. Их можно обрабатывать тремя группами методов:
1) метод обработки инструментом узких полосок вдоль прямолиней-
ной образующей с обходом ими (обкаткой) направляющей; 2) метод
копирования формы направляющей фасонным инструментом, переме-
щающимся вдоль прямолинейной образующей; 3) метод обкатки
быстро вращающимся вокруг своей оси фасонным инструментом с
медленным перемещением вдоль образующей.
Первый метод позволяет обрабатывать любые линейчатые фасон-
ные поверхности — контуры решеток профилей, наружные контуры
и фасонные прорези в листовых деталях, фигурные фланцы корпусов.
В общем случае (произвольная форма направляющей) узкую полоску
вдоль прямой-образующей можно обработать боковой поверхностью
цилиндрической фрезы, вершиной долбежного или строгального
резца, электродом-проволокой, проволочным хоном с алмазным
абразивом, вырезкой листовых заготовок лучом лазера, струей плаз-
мы, применяя соответствующее оборудование. Обход ими всей повер-
хности вдоль направляющей в- индивидуальном и мелкосерийном
производствах обеспечивают с помощью ЧПУ, а в крупносерийном
производстве — автоматическим копированием. Поскольку на рабо-
чем чертеже фасонный контур часто задают таблицей координат (х,
у) ’’каркаса точек”, технолог-программист определяет соединяющие
их плавно сплайнфункции. Далее сглаженный контур аппроксимиру-
243
Делают по профильной схеме. Если в детали нет сквозного прохода
Для протяжки, можно использовать прошивание с входом — выходом
бедной стороны детали. По производительности и стоимости инстру-
мента оно близко к протягиванию. Чтобы снизить стоимость инстру-
мента в индивидуальном и мелкосерийном производствах при нали-
чии повторяющихся элементов линейчатых фасонных поверхностей
их обрабатывают поочередно. Характерным примером являются
дисковые и пальцевые модульные фрезы для чернового (с канавками-
стружколомами) и чистового (гладкие) нарезания эвольвентных
зубьев и шлицев методом копирования одной впадины с последую-
щим переходом на очередную впадину зубьев. Эвольвента инстру-
мента соответствует минимальному числу зубьев в деталях, нарезае-
мых данным комплектом фрез. Для каждого модуля выпускается
восемь комплектов. Например, комплект № 6 обрабатывает детали
с 35...54 зубьями. Метод обеспечивает производительную обработку
колес 8...9 степени точности. Последующее Шлифование по такой же
схеме копирования позволяет обрабатывать зубья после закалки,
получая самую высокую точность эвольвенты (2...3 степень по ГОСТ
1643—81) при достаточно частых правках круга алмазным каранда-
шом по копиру с помощью пантографа. Однако точность по шагу в
методе копирования определяется точностью делительного механиз-
ма. Проще высокую точность по шагу обеспечить в третьей группе
методов (обкатка).
Наиболее характерное применение метода обкатки — нарезание
наружных зубьев и шлицев червячными фрезами и шлифование их
после закалки червячными абразивными кругами (рис. 12.3). При
вращении червячного инструмента его профиль имитирует профиль
рейки с трапецеидальными зубьями, перемещающимися вдоль оси и
находящимися как бы в зацеплении с обрабатываемыми зубьями
детали, вращающейся вокруг неподвижной оси. Ось червячного
инструмента наклонена к плоскости поперечного сечения детали на
угол наклона спирали червяка. Врезание может быть осевым или
радиальным. Медленная осевая подача
обеспечивает обработку зубьев любой h/vi
длины. Зубья с модулем т < 1 фрезеру-
ют сразу начисто, при 2 < т < 6 — в два
прохода, при т > 6 — в три прохода.
Черновые фрезы нарезают зубья под у
чистовое нарезание или сразу под шли-	*^47	)
фование, их зубья не затылуют. Преци-
Рис. 12.3. Фрезерование зубьев шестерен мето- П I	Ч'-'
дом обкатки
245
ется минимально необходимым (но сохраняющим заданную точность)
числом отрезков прямых и дуг окружности, чтобы можно было
составить управляющую программу для станка с линейно-круговым
интерполятором на ЭВМ. Эти же операции технолог-программист
выполняет для изготовления на станках с ЧПУ копиров. Затем при
обработке деталей на станке с системой автоматического копирова-
ния, например гидравлической, задающая подача 5зад обеспечивает
одновременный обход профиля копира щупом системы, а заготовки
— обрабатывающим инструментом. При этом система автоматическо-
го копирования переносит с помощью следящей подачи б^д профиль
копира на изделие. Для определенных типов направляющих линий
перемещение вдоль них узких обработанных по образующей полосок
можно осуществлять методом обкатки. Характерный пример J- до-
лбление зубьев или шлицев с эвольвентным профилем. Круглый
зуборезный долбяк (ГОСТ 9323—79) с тем же модулем, что и нареза-
емые зубья, совершает возвратно-поступательные движения (500...
700, а в быстроходных станках до 2500 ходов в минуту), в одном
направлении снимая узкую стружку вдоль образующей зуба, в
другом — совершая холостой ход. При этом станок, согласованно
вращая долбяк и заготовку, имитирует зацепление зубчатых колес
(обкатку). Врезание осуществляет поперечная подача. Зубья с моду-
лем менее 1,5 нарезают за один оборот заготовки, а при степени
точности зубьев 8 — сразу начисто (режимы переходов: черновых v “
= 12...20 м/мин, б = 0,25...0,5 мм/дв.ход; чистовых v = 20...
30 м/мин, б = 0,1—0,3 мм/дв.ход). Долбяки класса АА дают точность
до 6-й степени, класса А — до 7-й степени. Шероховатость до Ra =
“ 1,25 мкм. Это существенно при отсутствии последующего шлифова-
ния. Долбление — единственный способ нарезания внутренних зубьев
и шлицев, а также наружных вблизи буртиков. Но даже если кон-
струкция позволяет обработать зубья другими методами, долбление
может оказаться предпочтительнее при малых модулях и длиндх
зубчатого венца.
Во втором методе (копировании) самым производительным, но
требующим дорогого специального инструмента, является протягива-
ние: внутреннее (например, для шлицев, фасонных отверстий) и
наружное (например, для елочных пазов, хвостовиков лопаток).
Различают две схемы фасонного протягивания: генераторную — слой
материала, снимаемый очередным зубом, имеет сечение прямой или
дуговой полоски, заполняющей последовательно фасонную зону
припуска; профильную — полоски, снимаемые очередными зубьями,
эквидистантны контуру направляющей, Проще перетачивать протяж-
ки с генераторной схемой. Но чтобы на наружном контуре детали не
оставалось ступенек, последние и калибрующие зубья протяжки
244
зионные фрезы класса ДА (ГОСТ 9324—80) нарезают колеса 7-й j
степени точности. Современные быстроходные станки при скоростях
до 80 м/мин (фрезы армируют твердосплавными пластинками) J
обеспечивают и 6-ю степень точности. Для быстрорежущих фрез
скорости резания на черновых проходах порядка 25 м/мин, на чисто- 1
вых — 35 м/мин. При шлифовании зубьев абразивными червяками
на станках типа 5В833 достигается 5-я степень точности зубчатых
колес. Это самый производительный метод шлифования зубьев.
Большую точность (до 3...4 степени), но меньшую производитель-
ность имеет распространенный метод шлифования зубьев тарельчаты-
ми кругами, имитирующими зуб неподвижной рейки. По нему проис-
ходит обкатка шлифуемого зуба (или двух) детали. Ее ось получает
возвратно-поступательное перемещение от каретки. На одном валу
с колесом закреплен барабан с диаметром, равным диаметру основной
окружности. Прикрепленные к нему металлические ленты обеспечи-
вают его качение по прямой без скольжения, дающее на профиле
зуба при шлифовании эвольвенту. Подача по оси перемещает зону
обработки вдоль образующей зуба. Шлифование следующего зуба
после окончания обработки данного зуба обеспечивает автоматичес-
кий делительный механизм. Этим методом можно шлифовать и
внутренние зубья, и эвольвентные шлицы.
Рассмотренные группы методов могут быть обобщены на линейча-
тые фасонные поверхности, у которых прямолинейные образующие
отклоняются от нормалей к плоскости направляющей на угол, имену-
емый в производстве малкой (наклонные боковые поверхности ребер
жесткости, облегчающих-колодцев), а также на поверхности с на-
правляющей, принадлежащей не плоскому сечению, а, например,
коническому (эвольвентные зубья конических шестерен и т.п.).
Наиболее просто обобщается первая' группа методов. Сюда относится
получение малкованных боковых поверхностей с произвольной
формой направляющей на станках с ЧПУ — достаточно поставить
коническую фрезу с углом конуса, равным удвоенной малке: К этой
же группе методов принадлежит строгание прямозубых зубчатых
колес на станках типа 5236П. Резцы снимают узкие полоски вдоль
образующей при каждом рабочем ходе. Медленная обкатка обеспечи-
вает покрытие ими всей поверхности зубьев. Производительность
низкая, но обеспечивается 6.,.7-я степень точности. Метод позволяет
механизировать и автоматизировать ранее выполнявшееся вручную
снятие фасок вдоль фасонных кромок (например, кромок елочного
паза, зубьев шестерен).
246
12.5. ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ
ФАСОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
По принципиальной схеме методы обработки простран-
ственных фасонных поверхностей можно разделить на пять групп.
1.	Методы копирования всей рабочей поверхности инструмента.,
подаваемого на заготовку, реализуются при ЭХО и электроэрозион-
ной обработке. ЭХО наиболее производительна. Она также позволяет
быстро изготовить рабочую поверхность электрода-инструмента по
эталонной детали, подключив последнюю к катоду, а заготовку
инструмента — к аноду*
2.	Методы копирования с вращением объемно-фасонного инстру-
мента, согласованным с его поступательным перемещением относи-
тельно заготовки (или заготовки относительно инструмента). Харак-
терные примеры его реализации — вальцевание пера лопаток, круго-
вое протягивание дуговых зубьев конического зубчатого колеса. В
последней операции резцовая головка-протяжка, вращаясь вокруг
своей оси, благодаря последовательному изменению радиального
расположения внутренних и наружных резцов за один неполный
оборот обрабатывает одну впадину. Далее во время прохождения
безрезцового участка головки заготовка успевает развернуться на
один шаг (автоматическим делительным механизмом). Это позволяет
без остановки начать следующий аналогичный цикл обработки
очередной впадины. Так ведется обработка зубчатых колес на стан-
ках типа 5С271П, обеспечивая повышение производительности по
сравнению со следующим методом (обкатка) в 3...5 раз. Метод реко-
мендуется для крупносерийного производства из-за высокой стоимос-
ти инструмента.
3.	Методы обкатки. При обработке пространственных фасонных
поверхностей эти методы в настоящее время вытесняются обработкой
на станках с ЧПУ и с автоматическим копированием. Но для широко
распространенных типовых поверхностей, таких, как рассмотренные
выше конические или гипоидные шестерни с круговым зубом, методы
обкатки применяются. Так, при нарезании впадины кругового зуба
на станках типа 5TI23 люлька с резцовой головкой совершает попе-
речное движение обкатки, согласованное с вращением заготовки.
Этот же метод используется при шлифовании лопаток широкой
абразивной лентой на станках типа ХШ-185, ХШ-186 и др.
4.	Автоматическое копирование строчками с применением про-
странственных копиров. Задающие подачи обеспечивают обход всей
поверхности копира и обрабатываемой поверхности детали. Обычно
одна задающая подача направлена вдоль строки, вторая позволяет
покрыть строками поверхность. Она может быть дискретной (в конце
247
строки) или непрерывной. В зависимости от формы детали и метода
обработки (точение, фрезерование, шлифование узкой абразивной
лентой) это может быть согласованное вращение приспособлений с
заготовкой и копиром (в одном или двух кинематических связанных
шпинделях) или возвратно-поступательное движение заготовки и
копира, закрепленных на одном столе станка, вдоль строки с попе-
речной подачей на шаг между строками в койце очередного хода (для
смены строки). Поскольку для каждого нового изделия необходимо
изготавливать свой специальный копир, метод оправдан для крупно-
серийного производства: копир как твердый программоноситель
длительнее сохраняет программу, чем магнитные носители устройств
ЧПУ; станки для автоматического копирования дешевле станков с
ЧПУ. Но сами копиры можно быстро изготавливать на станках
с ЧПУ.
5.	Обработка .строчками на станках с ЧПУ резко ускоряет подго-
товку производства сложных пространственных фасонных поверхнос-
тей в мелкосерийном и индивидуальном производствах ДЛА. Но
такая гибкость обеспечивается лишь при применении САПР ТП (см.
гл. 8) с системой автоматизированного программирования. Эти САПР
ТП имеют блоки:
интерполяции пространственной фасонной поверхности, обычно
задаваемой в рабочих чертежах таблицей координат ’’каркаса” точек
пространственными сплайн-функциями (например, кубическим
сплайном);
построения траектории инструмента относительно детали. По
алгоритму, приведенному в гл. 8, обрабатываемая зона покрывается
сетью строк (параллельных какой-либо управляемой устройством
ЧПУ координате или семейством эквидистант наружному контуру).
Генерированная ЭВМ траектория аппроксимируется в соответствии
с типом устройства ЧПУ совокупностью сопряженных дуг и отрезков.
Они определяют программу управления задающими подачами;
генерирования программы управления третьей координатой.
Рассмотрим эту задачу на примере фрезерования пространственного
контура вдоль строки (сплошная линия на рис. 12.4), изображенного
на развертке поверхности, образуемой при перемещении осью фрезы.
Из условий, чтобы во всех точках (1...5) режущая часть фрезы
касалась обрабатываемой поверхности, получается траектория
которая отличается от эквидистанты вследствие того, что торец
фрезы не сферический. Но как показано на схеме рис. 12.4, а, каж-
дой дуге окружности обрабатываемого контура соответствует также
дуга окружности с достаточно простой коррекцией ее радиуса и
положения центра.
248
Рис. 12.4. Формирование пространственных фасонных поверхностей строчками:
а — коррекция дуги траектории при расположении фрезы справа от контура; б — вид
коррегированной траектории (1'...5") для контура (/...5)
Для многих сложных пространственных фасонных поверхностей
деталей ДЛА, например в крыльчатках с криволинейными лопастя-
ми, из-за ограничений доступа инструмента к различным участкам
ее и стремления обработать всю поверхность за один проход, а также
требований обеспечения одинаковых условий резания (по углам) во
всех точках в дополнение к трем управляемым координатам X, Y, Z
на ЭВМ генерируют оптимальные законы управления еще двумя
угловыми координатами U и W. Алгоритм автоматизированного
программирования для такого пятикоординатиого станка с ЧПУ
усложняется, но не будет лишних зон стыка поверхностей, обрабо-
танных на разных проходах, повысится прочность (из-за отсутствия
технологических концентраторов), а главное повысится КПД всего
двигателя.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	В чем специфика применения метода обработки данного типа (с помощью ЧПУ,
автоматического копирования, сложения движений, фасонного инструмента) для
каждой из групп фасонных новерхностей?
2.	Как увеличение программы выпуска изделий влияет на выбор методов обработки
их фасонных поверхностей, принадлежащих разным группам?
3.	Какие из методов обработки эвольвентных линейчатых поверхностей обеспечива-
ют наиболее высокую точность профиля или шага наружных (внутренних) зубьев
колес или шлицев?
4.	Какие действия выполняет ЭВМ при автоматизированном проектировании
управляющих программ для обработки сложных пространственных фасонных повер-
хностей?
249
ГЛАВА 13. ОБРАБОТКА РЕЗЬБЫ
13.1.	НАРЕЗАНИЕ РЕЗЬБЫ РЕЗЦАМИ И ГРЕБЕНКАМИ
Нарезание резьбы на токарных станках, универсальных
и с ЧПУ, дает точные (6Н, 6h) резьбы любого профиля, наружные
и внутренние, цилиндрические и конические.. Метод универсален,
позволяет получать резьбы большего диаметра на нежестких деталях
ДЛА, обрабатывать резьбы в участках, не доступных другим методам.
Но большое основное время, потребность в рабочих высокой квали-
фикации (для неавтоматизированного производства) ограничивают
его применение (единичное и мелкосерийное производства). В полу-
автоматических станках с ЧПУ этот метод наиболее удобен: сокраще-
ние потребной номенклатуры инструментов из-за универсальности
резцов позволяет повысить концентрацию операций, а увеличение
основного времени в автоматической операции малосущественно.
Большое основное время связано с необходимостью нескольких
проходов (от 3 до 20 в зависимости от шага резьбы).*
Рассмотрим типовые схемы подач на очередных проходах:
а) профильная, дает наиболее низкую шероховатость поверхности,
но вследствие большой жидкости V-образного срезаемого слоя в
основании резьбы наклеп, остаточные напряжения достигают уров-
ней, инотда опасных для прочности детали, изнашивается быстро
вершина резца, из-за угла подъема спирали режущие кромки изна-
шиваются неравномерно (искажения);
б)	генераторная схема с косой подачей в направлении недогружен-
ной режущей кромки. Срезаемый слой здесь податлив; меньше
наклеп, напряжения, износ инструмента, но хуже шероховатость
(ступеньки);
в)	комбинация схем ”а” и ”б”, соединяющая их преимущества и
исключающая их недостатки;
г)	перспективная схема с переменной зигзагообразной подачей,
определяемой микроЭВМ устройства ЧПУ по алгоритму, оптимизиру-
ющему прочность резьбы и производительность.
Внутренняя резьба малого диаметра нарезается стержневым
отогнутым резцом, жесткость которого лимитирует значения подачи.
Наружная резьба (также внутренняя при большом диаметре с приме-
нением специальной державки) может нарезаться стержневым,
круглым или призматическим резцом. Последние позволяют увеличи-
вать число переточек. Для обработки высоколегированных конструк-
ционных, коррозионно-стойких и жаропрочных материалов рекомен-
дуется армирование резцов пластинками из твердых сплавов, напри-
250
мер, ВК6, ВК8. Ходовые резьбы с полукруглым, трапецеидальным и
прямоугольным профилем предварительно обрабатывают прорезными
резцами упрощенного профиля. Из-за большого наклона витков
кодовой резьбы рекомендуется при окончательном нарезании фасон-
ными резцами установка их передней грани по нормали к винтовой
линии с помощью специального приспособления.
В крупносерийном производстве для увеличения производитель-
ности применяют два метода: нарезание резьбовыми гребенками и
вихревой метод. Они дают резьбы средней точности. Их точность
можно повысить, введя калибровку резьбы резцом. Применяются
круглые, призматические и плоские резьбовые гребенки.
Режущие зубья гребенок срезаны (на конус или клин), что обеспе-
чивает распределение припуска между ними для нарезания резьбы
за один проход. Следующие зубья — калибрующие. Для резьбы с
малым шагом круглая гребенка имеет кольцевые канавки и всего
3...5 зубьев. При большом шаге винтовые канавки гребенки улучша-
ют условия резания. Вихревой метод применяют для крупных резьб
с шагом свыше 4. Деталь вращается на токарном станке с частотой
30...300 об/мин. Резцовая головка с 1...12 резцами вращается относи-
тельно эксцентричной оси с частотой 1000...3000 об/мин. За оборот
детали образуется виток. Нет ограничения, имеющегося у гребенок,
которые из-за среза не нарезают резьбу у буртов и других выступов.
13.2.	НАРЕЗАНИЕ РЕЗЬБЫ МЕТЧИКАМИ, ПЛАШКАМИ
И РЕЗЬБОНАРЕЗНЫМИ ГОЛОВКАМИ
Метчиками, плашками и резьбонарезными головками нарезают
резьбы небольшого диаметра. Нарезание метчиками — часто един-
ственный метод получения точной резьбы при малых диаметрах
отверстий. Метчик аналогичен винту с прорезанными канавками,
образующими режущие кромки. Для нарезания точной резьбы приме-
няют метчики со шлифованным профилем и затылованными калиб-
рующими зубьями. В пластичных мягких материалах (сталь с НВ <
< 140) высокоточные резьбы малого диаметра (4...6Я) дает выдав-
ливание их бесстружечными метчиками. В твердых материалах
точность мелких резьб повышают, сообщая метчику ультразвуковые
колебания. Важнейшими условиями получения качественной резьбы
являются строгое совпадение оси метчика и отверстия, ограничение
подачи, недопущение чрезмерных усилий (при заклинивании струж-
ки или недостатке СОЖ). Соосность обеспечивается либо технологи-
чески (обработка отверстия под резьбу и его нарезание ведутся при
одной установке на сверлильном станке, простом или с ЧПУ, на
револьверном станке, многоцелевом станке с ЧПУ) либо с помощью
251
установки метчиков в плавающие патроны. Если на данном станке
невозможно обеспечить согласование подачи с шагом резьбы, то в
патрон ставится пружина, позволяющая метчику подачу самозатяги-
ванием. Рекомендуются также патроны, автоматически выключаю-
щие подачу при нарезании метчиками глухих отверстий, конической
резьбы, с регулируемой заранее величиной предельного крутящего
момента. Они одновременно предохраняют мелкие метчики от полом-
ки. Предпочтительнее станки, имеющие автоматическое переключе-
ние направления подачи и вращения метчика для его вывинчивания.
Эти же функции могут выполнять реверсивные патроны.. Для диамет-
ров свыше 30 мм рекомендуются раздвижные метчики. Утопив их
резьбонарезные плашки (гребенки), после нарезания быстро выводят
метчики, не вывинчивая из нарезанного отверстия. Машинные мет-
чики, применяемые на станках, отличаются увеличенной длиной
заборного конуса. До диаметров 24 мм они нарезают резьбу за один
проход. При больших диаметрах и для глухих отверстий число таких
метчиков увеличивают до двух. Ручное нарезание допускается лишь
в единичном производстве: комплектом из двух метчиков до диамет-
ра 10 мм в глухих отверстиях или 14 — для сквозных. Более крупные
резьбы нарезают тремя метчиками.
Наружную резьбу малого диаметра нарезают плашками или
резьбонарезными головками. Плашка — цельное или разрезное
кольцо-гайка с прорезанными продольными канавками, образующими
режущие кромки. Нарезание резьбы она выполняет при ее механи-
ческом или ручном навинчивании на деталь за один проход. При
обратном ходе плашка, как и метчик, свинчивается. В серийном
производстве предпочтительнее нарезание не плашками, а резьбона-
резными головками с несколькими самораскрывающимися плашками
— круглыми, тангенциальными или плоскими, применяющимися на
автоматах, револьверных и болтонарезных станках. Обратное свинчи-
вание^ здесь не требуется — выше производительность. Раскрывающи-
еся плашки проще точно прошлифовать. Для обеспечения подачи
самозатягиванием головок на станках используют специальные
приспособления. Ими нарезают правые и левые метрические, труб-
ные и дюймовые резьбы диаметром 1...76 мм с точностью 7Л, 6Л
(ГОСТ 16093—81).
13.3.	ФРЕЗЕРОВАНИЕ РЕЗЬБЫ
Резьбы большого и среднего диаметров, которые в еди-
ничном и мелкосерийном производствах нарезают резцами, в серий-
ном производстве рекомендуется фрезеровать, если достаточно сред-
ней точности, (777, 7Л). Производительность резьбофрезерования во
252
Рис. 13.1. Фрезерование резьбы на резьбофрезерном
станке дисковой фрезой
много раз выше нарезания резцом, стабильнее
качество. Резьбофрезерование выполняется
дисковыми или гребенчатыми фрезами. Диско-
вые фрезы дают более высокую точность,
приближающуюся к точности нарезания резцом
(рис. 13.1), так как фреза может быть установ-
лена под углом подъема витков резьбы. Дисковой фрезой на резьбоф-
резерных станках предварительно нарезают ходовые резьбы с круп-
ным шагом (под чистовую калибровку резцом или шлифованием)
за один проход. Так же, но окончательно в одну операцию нарезают
крепежные резьбы, главным образом при весьма большой длине или
при крупном шаге.
Гребенчатыми фрезами, представляющими собой как бы совокуп-
ность дисковых фрез, имеющих длину, на два и более шага резьбы
превышающую длину нарезаемого резьбового участка детали, одно-
временно фрезеруют все витки резьбы. Их нельзя повернуть под
углом наклона витков: ось гребенчатой фрезы параллельна оси
заготовки. Как и у дисковой фрезы, быстрое вращение гребенчатой
фрезы обеспечивает скорость резания до 60 м/мин. Вначале фреза
при радиальной подаче врезается на глубину резьбы. Обеспечение
окружной подачи (0,02...0,07 мм/зуб) зависит от кинематики станка.
В деталях типа тел вращения резьбу рекомендуется фрезеровать на
резьбофрезерных станках, где окружную подачу дает медленное
вращение патрона с деталью на 1,25 оборота (0,25 оборота идет на
врезание). Соответственно осевая подача за это же время перемещает
фрезу на 1,25 шага.
При фрезеровании множества резьбовых поверхностей с парал-
лельными осями на многоцелевых станках с ЧПУ вместо вращения
детали круговую (планетарную) подачу в зависимости от схемы
станка получают по управляющей программе — либо ось шпинделя
с фрезой, либо стол станка с закрепленной деталью. Так обрабатыва-
ют резьбу в множестве отверстий корпусных деталей, которые здесь
же обрабатывают под нарезание резьбы. Для внутренних резьб
диаметр отверстия должен позволять ввести фрезу. Здесь бурты,
выступы, дно отверстия не мешают фрезерованию и могут распола-
гаться рядом с резьбовым участком.
253
13.4.	НАКАТЫВАНИЕ РЕЗЬБЫ
Накатывание резьбы — один из самых производительных,
точных и при соответствующем выборе режимов наиболее благопри-
ятных для прочности методов. Вследствие холодной пластической
деформации волокна материала на перерезаются (в отличие от всех
других методов), происходит деформационное упрочнение и форми-
рование в основании резьбы остаточного напряженного состояния
сжатия, повышающего сопротивление усталости, хрупкую прочность.
Достигаемая точность 577, 5Л, шероховатость до Ra = 1,25 мкм.
Ограничения метода: материал детали должен иметь достаточную
пластичность при 20 °C, а сама деталь (с учетом влияния приспособ-
ления и дополнительных опор) — достаточную жесткость, чтобы не
возникали недопустимые коробления от весьма высоких усилий.
Инструмент имеет приемлемую стойкость для материалов с твер-
достью до HRC 40. Для ограничения пластических деформаций и
короблений резьбы с крупным шагом и при диаметрах свыше 100 мм
рекомендуется предварительно нарезать лезвийным инструментом
(например, фрезеровать).
Имеются три основных способа накатывания резьбы: роликами,
плашками и сегментами. Для деталей ДЛА предпочтительнее ролики,
обеспечивающие: I) достаточно малые усилия, позволяющие накаты-
вать резьбу в полых деталях; 2) высокую точность резьбы, близкую
к шлифованию; 3) возможность накатки резьбы не только на станках
определенного назначения (резьбонакатные), но и на токарных,
сверлильных станках, токарно-револьверных автоматах, станках с
ЧПУ при помощи резьбонакатных головок; 4) широкий диапазон
накатываемой резьбы; 5) простоту наладки.
Применяются три разновидности накатывания резьбы на резьбона-
катных станках принудительно вращающимися резьбонакатными
роликами: с радиальной, осевой и тангенциальной подачей.
С радиалыюй подачей двумя роликами накатывается метрическая
резьба повышенной точности на наружных цилиндрических повер-
хностях диаметром от 2 до 100 мм. Ширина роликов 25... 125 мм
ограничивает длину накатываемой резьбы. Заготовка 7 (рис. 13.2)
помещается на направляющей планке 2 между роликами 3, 4. Оба
ролика вращаются в одну сторону, и один из них получает радиаль-
ную подачу от механического или гидравлического привода станка.
Заготовка свободно вращается (увлекаемая вращающимися роликами,
оси которых параллельны). Правая резьба накатывается роликами с
левой резьбой (н наоборот, левая — роликами с правой резьбой).
Используются ролики (ГОСТ 9539—72) двух точностей: 1) повышен-
254
Рис. 13.2. Накатывание резьбы с радиальной	----
подачей резьбонакатных роликов:
7 — заготовка; 2 — направляющая пленка; 3,
4 — резьбонакатные ролики	j //	\	И 4-
ной (дает точность резьбы до 4Л по
ГОСТ L6O93—81); 2) нормальной
(дает 6Л).	12
С осевой подачей заготовки нака-
тываются метрические н ходовые j	- |
резьбы треугольного, трапецеидаль-
него и круглого профилей произво-
льной длины с обычной точностью. ' Ll-Г '	’
Число роликов 2...4. Накатываемая
поверхность захватывается срезанной на конус заборной частью.
Хотя могут применяться ролики с винтовой нарезкой (как при ради-
альной подаче), здесь рекомендуются ролики с кольцевой нарезкой.
Они позволяют одним комплектом роликов накатывать резьбы раз-
личного диаметра с разным числом заходов; диаметр и ширина
роликов могут быть значительно меньше — снижаются усилия,
потребные для формирования резьбы. Это позволяет накатывать
резьбу в менее жестких деталях, что особенно важно в технологии
ДЛА. Чтобы не искажать профиль резьбы, оси роликов с кольцевой
нарезкой наклоняют на угол подъема витков резьбы. Осевая подача
заготовки может происходить самозатягиванием, но выше точность
при принудительной осевой подаче.
Накатывание резьбы роликами на других станках (револьверном,
сверлильном, токарном автомате) выполняют одно-, двух- и трехро-
ликовыми державками и трехроликовыми головками. Серийно выпус-
каются раскрываемые вращающиеся накатные головки для наружных
треугольных и для наружных трапецеидальных резьб. Резьба роликов
кольцевая, имеются заборная и калибрующая части. Комплект роли-
ков данного шага накатывает резьбу разных диаметров в пределах
диапазона данной головки. Оси роликов повернуты на угол подъема
резьбы, а вдоль оси они смещены в соответствии с ходом винтовой
линии. Раскрывающиеся головки позволяют накатывать резьбу с
радиальной подачей. При накатывании внутренней резьбы в глубоких
отверстиях применяют также резьбонакатные головки с тремя роли-
ками и схему осевой подачи. Накатывание отверстий диаметром
20...100 мм можно проводить одним роликом, свободно вращающимся
на оси державки (устанавливаемой в суппорт). Получая радиальную
подачу на глубину резьбы и одновременно вращаясь, он выдавливает
профиль резьбы. Скорость накатывания зависит от материала изде-
лия: 12...14 м/мин для титановых сплавов, 15...20 м/мин для твердой
255
стали, 80...100 м/мин для мягкой стали. На конце заготовок на длине
двух шагов рекомендуется делать фаску под углом 10е к оси. Деталь
охлаждается сульфофрезолом. Для изделий с твердостью НВ < 200
применяют ролики из сталей Х12М, Х12Ф1, для НВ = 370...400 из
6Х6ВЗМФС.
13.5.	ШЛИФОВАНИЕ РЕЗЬБЫ
Шлифование применяется для обработки точной резьбы
в стальных деталях после закалки (твердость выше HRC - 40), а
также в деталях из труднообрабатываемых жаропрочных сплавов и
керамики. Важным достоинством шлифования является высокая
чистота поверхности резьбы (до Ra - 0,32). Резьбы с шагом менее
1,5 мм, особенно в материалах, плохо обрабатываемых лезвийными
инструментами, могут полностью вышлифовываться на гладкой
поверхности заготовки. Более крупные резьбы либо предварительно
нарезаются лезвийным инструментом (для стали до закалки), либо
накатываются, либо формуются (керамика) в заготовке. Резьба
шлифуется однониточным или многониточным кругом. Однониточ-
ный круг позволяет получить наибольшую точность (±5 мкм по
среднему диаметру и 2...3 мкм по шагу); многониточный — значи-
тельно более высокую производительность при точности 15...30 мкм
по диаметру и 5...8 мкм по шагу. Резьбы шлифуют главным образом
на резьбошлифовальных станках с устройствами для контроля гео-
метрических параметров резьбы. Шлифование однониточным кругом
применяют для обработки наружных и внутренних резьб, начиная с
шага 0,5 мм (при диаметре не менее 25 мм). Число проходов 2...10.
Меньше проходов требуется для менее крупных резьб или после
предварительного образования резьбы другими методами. Высокая
точность профиля получается благодаря возможности повернуть ось
круга на угол подъема витков резьбы. Однониточные круги правят
одним или двумя алмазными карандашами с помощью специального
приспособления.
Шлифование многониточным кругом в зависимости от длины
резьбы может выполняться двумя методами.
1. Ширина круга более чем на 3 шага превышает длину резьбы
(обычно до 40 мм). Тогда круг при медленном вращении заготовки
врезается на полную глубину профиля с помошью радиальной пода-
чи, после чего заготовка делает один оборот, перемещаясь на шаг.
2. Для шлифования более длинных резьб и многозаходных резьб
многониточному кругу сообщается осевая подача относительно детали
(может перемещаться деталь). Со стороны вращающегося торца круг
заправляется на конус с углом 5... 10° к оси круга. В этой части
256
профиль резьбы шлифуется начерно, следующие резьбовые выступы
круга зачищают и калибруют его. Метод не применим, если бурт и
другие элементы конструкции мешают шлифованию на проход.
Профилируют многониточный круг накатыванием кольцевой резьбы
стальным роликом (при медленном вращении круга), а при большой
программе выпуска изделий — твердосплавными или алмазными
роликами (при партиях свыше 10 000). Для качественного шлифова-
ния резьбы тщательно подбирают круг. Так, для резьбы из конструк-
ционной легированной стали круги берут мелкозернистые на керами-
ческой связке средней твердости, со среднеплотной или открытой
структурой.
В крупносерийном производстве шлифование многониточными
кругами рекомендуется выполнять на бесцентровых станках: методом
поперечного врезания (для коротких резьб, при наличии бурта) или
с продольной подачей. Производительность последнего метода — до
50 деталей в минуту.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
I.	Какие резьбы можно нарезать резцами?
2.	Сколько рабочих ходов требуется для нарезания резьбы гребенкой?
3.	Сравните технологические возможности нарезания резьбы дисковой и гребенча-
той фрезами.
4.	Чем обусловлен выбор радиальной или осевой подачи при накатывании резьбы
роликами?
5.	Почему внутренние резьбы малого диаметра можно нарезать только метчиком?
6.	Из-за чего шлифование однониточным кругом дает более точный профиль
резьбы по сравнению с многониточным?
ГЛАВА 14. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ПОВЕРХНОСТЕЙ
Широкое применение в авиационном двигателестроении жароп-
рочных титановых, тугоплавких сплавов и других труднообрабатыва-
емых резанием материалов вызвало необходимость разработки новых
физико-химических методов обработки. Особенностью физико-хими-
ческих методов обработки является независимость скорости и точ-
ности формообразования обрабатываемой детали от твердости, вяз-
кости и других физико-механических свойств материала заготовки.
В практике наибольшее применение получили электроэрози-
онный, электрохимический, ультразвуко-
вой, электронно-лучевой и светолучевой
методы обработки. При этих способах обработки съем металла и
9 Зак. 1398
257
формообразование поверхности детали происходят под действием
электрической, световой и химической энергии без преобразования
ее в механическую, тепловую или другие виды энергии вне обраба-
тываемой зоны.
14.1.	ЭЛЕКТР0ЭР03И0ННАЯ ОБРАБОТКА
Электроэрозионная обработка основана на использова-
нии одного из явлений электрической энергии — направленного
разрушения токопроводящих материалов в результате теплового
воздействия импульсных электрических разрядов. Это явление полу-
чило название электрической эрозии. Она происходит в результате
испарения, плавления и гидродинамического выброса расплавленного
металла. Электроэрозионный метод обработки деталей имеет следую-
щие разновидности: электроискровой, электроимпульсный, анодно-
механический и электрокоцтактный. Электроискровой метод, осно-
ванный на явлении электрической эрозии в результате искрового
разряда в эрозионном промежутке-между двумя электродами (де-
талью и инструментом), характеризуется высокими температурами.
Как правило, операции электроискровой обработки осуществляются
в жидкой среде (диэлектрике) — воде или керосине. Несмотря на
высокие температуры в межэлектродном промежутке, возникающие
при электрическом разряде, обрабатываемое изделие практически не
нагревается, так как искровой разряд протекает в миллионные доли
секунды. Электроискровая обработка применяется преимущественно
при обработке сложных фасонных поверхностей деталей, выполнен-
ных из жаропрочных и тугоплавких сплавов, и обработке отверстий
малого диаметра. Недостатком электроискрового метода обработки
деталей является значительный износ и электродов-инструментов, и
сравнительно малая производительность. Электроимпульсная обра-
ботка — более усовершенствованный способ по сравнению с электро-
искровым. Улучшение технологических характеристик электроим-
пульсиого способа обусловлено применением, специальных независи-
мых генераторов, униполярных импульсов тйй§..МГИ-2, МГ-3 и др.
Отличительной особенностью этих генераторов является постоянство
и независимость частоты, продолжительности и амплитуды импуль-
сов тока от физического состояния эрозионного промежутка. Область
применения электроимпульсного способа обработки та же, что и
электроискрового, но он имеет более высокие технологические и
экономические показатели. Поэтому этот метод широко применяется
в авиационном двигателестроении для обработки лопаток и других
деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, например, для
предварительной обработки пера лопаток ГТД из жаропрочных
258
сплавов перед окончательной электрохимической обработкой, а также
для перфорации охлаждаемых лопаток.
Анодно-механический способ обработки характеризуется тем, что
продукты обработки из рабочей зоны удаляются непрерывно переме-
щающимся электродом-инструментом — диском или лентой. Этот
метод наиболее эффективен для выполнения отрезных операций —
разрезки труб, болванок и других диаметром от 12 до 100 мм и более.
Процесс анодно-механической резки заготовок осуществляется в
результате комбинированного электрохимического, теплового и
механического воздействия на анод — разрезаемую заготовку. Режу-
щий инструмент — вращающийся диск или бесконечная лента из
листовой стали толщиной от 0,5 до 1,5 мм — служит катодом. Про-
цесс анодно-механической резки производится в электролите, состав
которого подбирается в зависимости от марки обрабатываемого
материала. Для анодно-механической резки применяют специальные
анодно-механические станки типа АМО-31, АМО-32 и др. Производи-
тельность процесса обработки при отрезных операциях на дисковых
и ленточных отрезных станках очень высокая, она составляет при-
мерно 1200...1300 мм2 площади реза в минуту. Анодно-механический
метод применяется также для отделочного и притирочного шлифова-
ния. В этом случае процесс обработки заключается в механическом
удалении окисных пленок, образующихся на поверхности обрабаты-
ваемой заготовки (анода) при прохождении тока между ее повер-
хностью и катодом-инструментом, помещенным в электролите.
Интенсивность съема металла составляет около 10 мм3/мин, при
этом достигается высокая точность обработки и шероховатость повер-
хности не выше Rа = 0,63 мкм (ГОСТ 2789—73).
Электроконтактный способ обработки основан на механическом
разрушении и формообразовании поверхностей детали, производимы-
ми одновременно с разогревом и расплавлением этих поверхностей
в результате воздействия электрического тока. Этот способ сходен с
процессами механической обработки резанием, с той лишь разницей,
что они осуществляются с введением электрического тока в зону
резания. Так, например, электроконтактное фрезерование произво-
дится быстровращающимся дисковым инструментом, контактирую-
щим с «обрабатываемой поверхностью, электроконтактное точение
производится резцом. Введение тока в зону резания обеспечивает
значительное снижение усилий резания и повышение производи-
тельности, особенно при обработке твердых и вязких коррозион-
но-стойких и жаропрочных сплавов. Электроконтактное точение и
фрезерование чаще всего применяются для грубой обработки, преи-
мущественно для удаления окисных пленок, окалины, отбела, ржав-
9*
259
чины и других дефектов поверхностного слоя литых и кованых
заготовок. Процесс обработки осуществляется в воздушной среде.
В авиационном двигателестроении практически применяются все
указанные разновидности электроэрозионной обработки. Для выпо-
лнения различных технологических процессов электроэрозионной
обработки отечественной станкостроительной промышленностью
разработаны и выпускаются целый ряд электроэрозионных станков,
которые по своему назначению подразделяются на универсальные
прошивочные (4Д721АФ1, 4Л721Ф1, 4Д722, АФЗ, 4Е723-01, 4Э724
и др.), универсальные станки для профильной обработки (типа 4631,
4720М), в которых электродом-инструментом является движущаяся
проволока, и специальные электроэрозионные станки, например, для
обработки лопаток ГТД и TH А, для прошивки отверстий малого
диаметра в форсунках, для упрочнения поверхностей деталей, клей-
мения и др. Для обработки сложных деталей применяются электроэ-
розионные станки с программным управлением (типа 4532ФЗ,
4732ФЗ, 4А423ФЦ). На Этих станках профильная обработка осущес-
твляется движущейся тонкой проволочкой, траектория движения
которой задается программой с одновременным регулированием
скорости движения в зависимости от интенсивности процесса эрозии.
Для анодно-механической резки металлов применяются дисковые
отрезные анодно-механические станки, например, типа АМО-31,
АМО-32, 4820, АМ-5-117, АР-300, а также ленточные разрезные
анодно-механические станки типа 4А850, 4А860 и др. Анодно-меха-
ническое разрезание наиболее эффективно для жаропрочных, корро-
зионно-стойких и закаленных сталей больших сечений. Электроэро-
зионный метод обработки поверхностей деталей нашел применение
при изготовлении монолитных дисков ротора ТНА из деформируемых
жаропрочных сплавов. В этих дисках профилирование лопаток
осуществляется на специальном электроэрозионном станке, оборудо-
ванном делительным приспособлением, с помощью которого заготов-
ка автоматически перемещается на заданный шаг. Процесс профили-
рования лопаток состоит из двух операций: предварительной прорез-
ки межлопаточных каналов и окончательной обработки профиля пера
лопаток. В серийном производстве эти операции обычно выполняют
на отдельных станках, настроенных на оптимальные режимы обра-
ботки. Окончательная обработка профиля пера лопаток производится
электрохимическим способом. Предварительная прорезка межлопа-
точного канала в цельной заготовке диска производится графитовым
электродом-стержнем, имеющим форму впадины между двумя сосед-
ними лопатками. Окончательная обработка профиля пера лопаток
производится медным или медно-графитовым электродом, который
состоит из двух элементов, имеющих один профиль, эквидистантный
260
спинке лопатки, а другой — корыту. Рабочей жидкостью при электро-
эрозионной обработке лопаток служит керосин. Для обработки лопа-
ток из деформируемых жаропрочных сплавов рекомендуется приме-
нять средние электрические режимы: рабочее напряжение 20...30 В,
сила тока 30...50 А. Производительность электроэрозионной обработ-
ки зависит от теллофизических параметров материала обрабатывае-
мых изделий и электродов, электрических параметров импульсов
тока и свойств межэлектродной среды. Производительность электро-
эрозионной обработки рбычно определяется количеством металла,
снятого с обрабатываемой поверхности детали в единицу времени, и
выражается в мм3/мин (или г/мин);
Q = CAf,'	<141)
где С — коэффициент, зависящий от теплофизических констант
металла и электрода; А — энергия импульсов; f — частота импульсов.
Процесс эрозии для различных металлов протекает с различной
интенсивностью, а следовательно, и производительность электроэро-
зионной обработки их различна. Зависимость интенсивности эрозии
от свойств металлов называется электроэрозионной обрабатывае-
мостью. Наилучшей обрабатываемостью обладают магний, алюми-
ний, наихудшей — твердые сплавы — молибден и вольфрам.
Электроэрозионная прошивка отверстий малого диаметра
широко применяется для перфорации охлаждаемых лопаток ГТД.
Электроэрозионная прошивка отверстий в лопатках производится с
помощью электродов-гребенок, позволяющих за один проход полу-
чать до 100 отверстий. Электрод — вольфрамовые нити е0,5...1,5 мм,
I = 100... 150 мм. При толщине стенки пустотелой лопатки 2 мм время
обработки одного прохода составляет около б мин. Операция прошив-
ки отверстий производится на электроимпульсном станке типа
4Г-721. Рабочий раствор ванны состоит из 85 % керосина и 15 %
трансформаторного масла. Электроды ввиду неоднородности их
выгорания периодически подрезаются до одного уровня.
14.2.	ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА
Электрохимическая размерная обработка (ЭХО) основа-
на на явлении анодного растворения металла при прохождении
электрического тока через электролит. Электролиты — это
вещества, обладающие в растворенном состоянии ионной прово-
димостью. При ЭХО в качестве электролитов обычно применяют
водные растворы солей, кислот или оснований (щелочей).
261
Анодное растворение сопровождается образованием
на обрабатываемой поверхности детали окисной пленки, плохо
проводящей ток, в результате чего процесс ЭХО замедляется и
прекращается. Для того чтобы процесс анодного растворения проте-
кал непрерывно, необходимо удалять с обрабатываемой поверхности
гидрат окиси металла. Это может осуществляться механическим
путем или потоком электролита. Механический способ удаления этих
продуктов гидролиза применяется главным образом при электрохими-
ческом абразивном или алмазном шлифовании, хонинговании и
полировании. В том случае, когда продукты анодного растворенив
удаляются потоком электролита, процесс обработки принято назы-
вать электрохимической размерной обработкой в проточном электро-
лите. Этот метод нашел самое широкое применение в авиационном
двигателестроении.
Принцип ЭХО в проточном электролите заключается в том, что
обрабатываемая деталь устанавливается относительно электрода-
инструмента с зазором, через который прокачивают с большой ско-
ростью электролит (рис. 14.1). При этом деталь является анодом, а
электрод-инструмент — катодом. При прохождении электрического
тока по цепи катод — инструмент — анод — заготовка последняя под
действием тока растворяется, принимая форму электрода-инструмен-
та. Продукты анодного растворения непрерывно удаляются с повер-
хности анода-заготовки потоком прокачиваемого электролита и
осаждаются в баке в виде шлама.
Электроды-инструменты при электрохимической обработке прак-
тически не изнашиваются, сохраняют свою первоначальную форму
и служат в качестве токопроводящих устройств в системе катод —
электролит — анод. ЭХО осуществляется при малых межэлектродных
зазорах; в зависимости от геометрических и электрохимических
параметров обрабатываемой детали они выбираются от 0,05 до
1,0 мм. Производительность процесса электрохимической обработки
можно определить теоретически согласно закону Фарадея по формуле
Q = Cv/Z,	(14.2)
Рис. 14.1. Схема электрохимической обработки пера
лопаток ГТД:
1 — рабочая камера (контейнер); 2 — обрабатываемая
деталь; 3 — электрод-инструмент
262
где Q — количество снятого с обрабатываемой детали металла, мм3;
Cv — объемный электрохимический эквивалент, мм3/ (А- мин); I —
сила тока, A; t — время прохождения тока, мин.
Однако расчет производительности по приведенной формуле дает
правильные результаты лишь при условии, если вся электрическая
энергия, подводимая к электродам, расходуется на растворейие
металла. Практически это редко достижимо, так как часть энергии
расходуется на другие протекающие в электролите процессы (напри-
мер, на образование на аноде соединений растворяемого металла,
обладающих повышенным электрическим сопротивлением, на расхо-
дование части проходящего тока на электролиз воды и нагрев элек-
тролита и ряд других сопутствующих явлений, снижающих интенсив-
ность процесса анодного растворения). В результате расчетная произ-
водительность всегда больше фактической. Отношение фактической
производительности к расчетной называется выходом по току. Значе-
ние выхода по току т] в электрохимических процессах зависит от
многих факторов и может колебаться в относительно широких преде-
лах. Оно характеризует удельную энергоемкость процесса: чем выше
выход по току, тем ниже удельная энергоемкость и тем эффективнее
технологический процесс ЭХО. Скорость съема металла с детали-
анода при ЭХО находится в прямой зависимости от плотности анод-
ного тока при условии сохранения стабильности других параметров
процесса. Плотность тока определяет не только интенсивность
съема металла, но также существенно влияет на шероховатость
поверхности обрабатываемой детали. Концентрация электролита,
скорость его прокачки, температура, величина межэлектродного
зазора прямого влияния на производительность обработки не оказы-
вают, однако их регулирование имеет важное значение для обеспече-
ния заданных точности, шероховатости поверхности и физико-хими-
ческих свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Чем
выше плотность тока, тем выше производительность обработки и
качество поверхности детали. В настоящее время ЭХО многих дета-
лей производится при плотности тока до 200 А/см2 и выше. Для
обеспечения стабильности протекания электрохимических процессов
при такой высокой плотности тока предусматривается весьма интен-
сивная циркуляция электролита, скорость которого в межэлектрод-
ном зазоре достигает порядка 10...50 м/с.
ЭХО применяется преимущественно для формообразования слож-
ных поверхностей, отверстий, удаления заусенцев и др. Для ЭХО
изготавливаются как универсальные, так и специальные станки
различного назначения, например для обработки лопаток ГТД.
Несмотря на разнообразие конструкций, каждый из этих станков
состоит из следующих основных агрегатов: источника постоянного
263
тока (мощный выпрямитель типа ИПП12/3000 или машинный гене-
ратор типа АНГ5000); электрохимической ячейки, в которой проис-
ходит анодное растворение обрабатываемой детали; устройства
прокачки и очистки электролита; системы подачи катода и автомати-
ческого регулирования величины межэлектродного зазора.
ЭХО сложных поверхностей наибольшее применение получила в
авиационном двигателестроении для обработки профиля пера турбин-
ных и компрессорных лопаток ГТД из жаропрочных и титановых
сплавов. Возможны четыре схемы обработки профиля пера лопатки:
односторонняя и двухсторонняя, с неподвижным и подвижным элек-
тродом-инструментом. Наиболее распространен двухсторонний метод
ЭХО пера лопаток с подвижными электродами (см. рис. 14.1) на
специальных станках типа АГЭ-2, ЭХО-2, ЭХА-300 и др.
При обработке лопатка устанавливается в специальную камеру с
электролитом, где ей обеспечивается необходимое положение относи-
тельно электродов-инструментов. Электрод-инструмент для ЭХО
изготавливают из металлов, обладающих высокой электропровод-
ностью и стойкостью против коррозии. В частности, для обработки
пера лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе применя-
ются электроды из стали 1Х18Н9Т. Они имеют негативный профиль
поверхности детали и изготавливаются на станках ЭХО методом
обратного копирования относительно эталонной лопатки.
Обратное копирование электродов-инструментов на электрохими-
ческом станке производится при тех же режимах и том же межэлек-
тродном зазоре, которые будут применены при обработке лопатки. В
качестве электролита применяют’10... 15 %-ные водные растворы
хлористых солей, скорость прокачки электролита составляет 20...
30 м/с. Рекомендуется следующий режим обработки: плотность тока
30...50 А/см2, межэлектродный зазор 0,3...0,5 мм, давление электро-
лита 0,2...0,5- 106 Па, температура электролита 20...30 °C.
Точность пера лопатки после ЭХО зависит от равномерности
распределения припуска по поверхности исходной заготовки, точнос-
ти электродов-инструментов и режимов обработки. При ЭХО лопатки
из штампованной заготовки обеспечивается точность профиля пера
0,1...0,2мм и шероховатость поверхности порядка Ra - 2,5...
0,63 мкм. Продолжительность рабочего цикла обработки одной
лопатки составляет 15...20 мин.
Для обработки отверстий малого диаметра в деталях из жаропроч-
ных и твердых сплавов наряду с электроэрозионным методом приме-
няется также электрохимический метод. В качестве электрода-ин-
струмента служат капиллярные трубки, изготавливаемые из титано-
вых сплавов и коррозионно-стойких сталей с изоляционными покры-
тиями нерабочих поверхностей электрода-инструмента (рис 14.2, а).
264
Рис. 14.2. Схема электрохимической
обработки отверстий малого диаметра:
а — металлическим электродом-инстру-
ментом; б, в — стеклянными электрода-
ми-инструментами; 1 — подача электро-
лита; 2 — электроды из благородного
металла; 3 — стеклянная трубка; 4 —
металлическая трубка; 5 — изоляция;
б — обмазка из синтетической смолы;
7 — тефлоновая трубка; 8 — обрабаты-
ваемая деталь
а)	б) в)
Изоляционное покрытие электродов, обычно многослойное, осущес-
твляется с помощью различных лаков и эмалей, устойчивых от
разрушающего воздействия химических элементов применяемых
электролитов. Толщина стенок и изоляционного слоя трубок электро-
да-инструмента выбирается из условий обеспечения соответствующе-
го зазора и прохождения требуемого тока. Электрохимический метод
обработки отверстий малого диаметра позволяет получать отверстия
бездефектного поверхностного слоя с малой шероховатостью повер-
хности Ra - 1,25...0,32 мкм и высокой точностью в пределах 8...9-го
квалитета. Для перфорирования лопаток ГТД широкое распростране-
ние получил электрохимический струйный метод обработки отвер-
стий малого диаметра с помошью фасонных стеклянных трубок.
На рис. 14.2 показаны конструктивные схемы стеклянных элек-
тродов-инструментов (запатентованные в США и ФРГ). Электрод-
инструмент (рис. 14.2, б) выполнен из тонкой стеклянной трубки,
вытянутой в конический капилляр. Внутри расширенной части
трубки-катода помещен электрод из благородного металла (золота).
Конструкция второго электрода-инструмента (рис. 14.2, в) выполнена
также из стеклянной капиллярной трубки, но без расширенной части.
В капиллярную трубку вставлен тонкий электрод из благородного
металла. Применение этих электродов-инструментов позволяет
обрабатывать отверстия и0,125.-.0,2 мм, имеющие относительную
глубину l/d от 50 до 100 мм с допуском ±0,03 мм. Используются
следующие режимы обработки: напряжение 100...300 В, давление
электролита 5...7* Ю5 Па, подача электрода-инструмента 1...
3,5 мм/мин; электролит — серная кислота.
14.3.	ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОЛИРОВАНИЕ
Электрохимическое полирование — отделочный метод
обработки поверхностей деталей анодным растворением поверхнос-
тных слоев металла. Он применяется в машиностроении для получе-
ния блестящей гладкой поверхности деталей и является разновид-
265
ностью электрохимического метода обработки. Этот процесс обработ-
ки основан на использовании для сглаживания шероховатости повер-
хности металла явления периодической анодной пассивности, сущ-
ность которой состоит в том, что при анодном растворении металла
на поверхности обрабатываемой детали образуется вязкая пленка
солей, предохраняющая от разрушения под действием тока микровпа-
дины и не препятствующая растворению выступов, в результате чего
шероховатость поверхности сглаживается, т.е. полируется. Электро-
полирование производится в электролитах, состав и свойства которых
определяются в зависимости от материала детали. Рекомендуется
следующий, состав электролита для полирования нержавеющей стали
и жаропрочных сплавов на никелевой основе (в весовых процентах):
фосфорная кислота — 40 %, серная кислота — 40 %, хромовый
ангидрид — 3 %, вода — 17 %.
Электрохимическое полирование деталей производится в ваннах
с электролитом. Полируемую деталь, являющуюся анодом, помещают
в ванну на контактной подвеске. В качестве катода применяют
металлы, обладающие высокой электропроводностью, не поддающие-
ся разрушению и не покрывающиеся токонепроводимой пленкой
(медь, свинец и др.). Используется следующий режим электрополи-
рования никелевых сплавов: напряжение на электродах 10... 14 В,
расчетная плотность тока 0,4...0,8 А/мм2. Удельная линейная ско-
рость съема металла 7...10 мкм/мин. Обычно при электрополирова-
нии снимается с обрабатываемой поверхности слой металла до
0,05 мм, при этом достигается шероховатость поверхности Ra ~
- 0,16...0,04 мкм.
14.4.	ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
Обработка деталей глубоким химическим травлением
(иногда называемым химическим фрезерованием) производится в
специальных травящих составах. Этот метод начал применяться в
условиях серийного производства для обработки тонкостенных дета-
лей сложного профиля (панелей, обшивок одинарной и двойной
кривизны и др.). В зависимости от конструкции деталей производится
сплошное или избирательное травление. При сплошном
травлении происходит равномерный съем металла со всей
поверхности заготовки. Избирательное травление
производится с защитой отдельных участков поверхности заготовки
от действия травящего состава. Для этих целей применяются различ-
ные лакокрасящие покрытия. Травление деталей производят в ще-
лочных, кислотных и электрохимических средах. В случае выполне-
ния операции в электрохимических средах процесс химического
266
травления сходен с электрохимическим полированием. Химический
состав травящего вещества выбирается в зависимости от рода обраба-
тываемого материала. Так, например, для травления деталей из
алюминиевых сплавов применяется водный раствор технически сухой
щелочи (NaOH), подогретой до 80 °C. Концентрация раствора
500...600 г на один литр воды; для деталей из коррозионно-стойких
сталей используется раствор,-состоящий из 12 % серной кислоты,
15 % соляной кислоты, 3 % азотной кислоты, остальное — вода.
Температура 60...70 °C.
Процесс травления сопровождается выделением водорода, что
отражается на свойствах поверхностного слоя; вследствие диффузии
водорода возникают хрупкость и ломкость. Для предохранения
изделия от вредного влияния водорода в раствор добавляют различ-
ные присадки, главным образом органические вещества: фенол,
альдегиды, сульфированные отходы мясобоен (кровь).
Производительность метода очень высокая. Сплошное травление
в течение 10... 15 мин позволяет уменьшить толщину на 1,5...2 мм.
Точность размеров выдерживается в пределах 0,05 мм. Стравливание
металла происходит равномерно по всей поверхности. Глубина съема
металла при избирательном травлении может достигать до 20...30 мм
и более.
14.5.	УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Ультразвуковой метод обработки (УЗО) применяется
преимущественно для изготовления деталей из хрупких и твердых
материалов (стекло, керамика, фарфор, твердые сплавы). Он основан
на высокой скорости изнашивания обрабатываемого материала при
контакте вибрирующего при высокой частоте колебаний инструмента
и абразивов. Ультразвуковые колебания инструмента осуществляются
с помощью магнитострикционных вибраторов (рис. 14.3) с ультразву-
ковой частотой порядка 20...30 кГц. В зону обра-
ботки непрерывно подается суспензия абразива —
карбид бора или карбид кремния. При воздей-
ствии ультразвуковых колебаний абразивные
зерна с большой силой ударяются об обрабатыва-
емую поверхность и разрушают ее. Так как на
Рис. 14.3. Схема ультразвуковой обработки:
1 — магнитострикционный вибратор; 2 — концентратор; 3 —
инструмент; 4 — шланг для подачи абразивной суспензии;
5 — обрабатываемая деталь; 6 — вода для охлаждения вибра-
тора; 7 — выходные концы обмотки вибратора для подключе-
ния к генератору высокой частоты
267
резонансной частоте амплитуды колебаний магнитострикционных
вибраторов составляют не более 5... 10 мкм, для эффективности
ультразвуковой обработки необходимо, чтобы рабочий конец стержня
инструмента вибрировал с амплитудой 0,03...0,1 мм, поэтому приме-
няются концентраторы — усилители колебаний вибратора (стержни
переменного сечения экспоненциального, катеноидального, конусного
профиля). Обычно используют концентраторы полуволновые или
четвертьволновые, равные длине полуволны или четверти волны
излучаемого вибратором звука. Концентраторы изготавливаются из
высокопрочного металла, обладающего высокими антикоррозионными
свойствами и износостойкостью от разрушающего действия абразива.
Производительность ультразвуковой обработки зависит от свойств
обрабатываемого материала, амплитуды и частоты колебании инстру-
мента, вида и зернистости абразивного материала, конфигурации и
размеров обрабатываемой поверхности и значения статического
давления между инструментом и заготовкой.
В практике авиационного двигателестроения УЗО применяется для
сверления цилиндрических, конических и фасонных отверстий,
нарезания резьбы н формообразования других элементарных повер-
хностей деталей из закаленных сталей, жаропрочных и титановых
сплавов, карбида вольфрама и молибдена, стекла, графита, керамики
и т.п.
Точность УЗО зависит от величины зерна абразива и при приме-
нении мелкого абразива может быть получена в пределах 0,005...
0,1 мм. Для достижения очень высокой точности при изготовлении
отверстий сложной формы следует пользоваться Двумя инструмента-
ми: черновым, имеющим размеры немного меньше, чем размеры
требуемого отверстия, а чистовая обработка ведется другим полнораз-
мерным инструментом. При обработке твердых сплавов и закаленных
сталей производительность УЗО по сравнению с электроискровой
несколько ниже, однако он обладает тем преимуществом, что при
УЗО отсутствуют дефекты поверхности, свойственные электроискро-
вому способу обработки (термические трещины, прижоги, раковины
и др.). Поэтому УЗО целесообразно применять в сочетании с элек-
троискровой обработкой: предварительную производить электроискро-
вой, а чистовую — ультразвуковой.
Производительность УЗО и износ инструмента — связанные между
собой величины. Степень износа инструмента в основном определяет-
ся физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и
оказывает существенное влияние на точность обработки. Чем ниже
твердость обрабатываемого материала, тем выше производительность
и ниже износостойкость инструмента и наоборот. Материал инстру-
мента должен выбираться в зависимости от рода обрабатываемого
268
материала. Например, при обработке стекла наибольшую износостой-
кость имеет твердосплавный инструмент, при обработке твердого
сплава — инструментальные стали У9 и ХВГ.
На производительность УЗО большое влияние оказывают величи-
на зерна абразива и соотношение абразива, воды и-суспензии. Опти-
мальный состав суспензии содержит одну весовую часть воды на 1,2
весовой части абразива. При обработке струя суспензии должна
направляться непосредственно к месту соприкосновения инструмента
с обрабатываемой деталью.
14.6.	ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ И СВЕТОЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКИ
Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) осуществляется
с помощью острофокусированного на обрабатываемую поверхность
детали потока ускоренных электронов с удельной мощностью порядка
107...109 Вт/см2 в условиях вакуума. При этом скорость электронов
достигает 104...10- 204 м/с, в зоне обработки деталь нагревается до
температуры 6000...7000 °C, в результате чего происходит локальное
разрушение материала путем его плавления и испарения. ЭЛО
применяется для получения отверстий малого диаметра, узких проре-
зей и изготовления тонких пленок и небольших контуров в деталях
из тугоплавких материалов.
Обработка производится на специальной установке, которая
состоит из электронной пушки, вакуумной камеры с насосами,
создающими вакуум порядка 3- 10—3 Па, высоковольтного источника
питания и системы управления. На этих установках обычно применя-
ется импульсный режим обработки, позволяющий регулировать
энергию нагрева и управлять скоростью съема металла. Длительность
импульса изменяется от 10 до 800 мкс с частотой от 50 до 3000 Гц.
В авиационном двигателестроении ЭЛО применяется для перфориро-
вания охлаждаемых лопаток ГТД.
Светолучевой метод обработки основан на использовании излуче-
ния лазера (оптического квантового генератора), которое фокусиру-
ется на обрабатываемую поверхность детали в пятно требуемого
диаметра. Интенсивность потока сфокусированного излучения в
месте обработки достигает 106...108 Вт/см2. Этого достаточно длд
мгновенного расплавления и испарения практически любых материа-
лов, обладающих различными физико-механическими свойствами.
Обработка производится на воздухе с помощью оптического кванто-
вого генератора на твердом теле, в качестве которого служит круп-
ный кристалл синтетического рубина, имеющий форму стержня.
Рубиновый стержень является резонатором, в котором возникает и
формируется луч, испускаемый лазером. Снаружи рубиновый стер-
269
2 J 4 5
Рис. 14.4. Схема одновременной обработки
ряда отверстий светолучевым методом
жень окружен спиралеобразной импульсной лампой-вспышкой, напо-
лненной инертным газом (обычно ксеноном) и вспыхивающей при
импульсном разряде через нее заряженного конденсатора.
Светолучевой метод обработки позволяет получать отверстия от
0,01 до 0,2 мм и глубиной до 20...40 мм. Производительность —
30...60 отверстий в минуту. Светолучевая обработка нашла примене-
ние в авиационном двигателестроении для перфорации охлаждаемых
лопаток ГТД. Для повышения производительности обработки при
перфорации лопаток светолучевым методом производится одновре-
менная обработка ряда отверстий. С этой целью луч лазера разделя-
ется с помощью системы линз на несколько параллельных лучей
(рис. 14.4). Лазерный луч 1 с помощью системы линз 2*и 3 расширя-
ется и попадает на растровый объектив 4, состоящий из большого
числа линз малого диаметра, каждая из них фокусирует на обрабаты-
ваемую поверхность 5 соответствующей интенсивности луч, необхо-
димый для обработки заданного отверстия.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Какие физико-химические методы обработки деталей нашли применение в
.авиационном двигателестроении?
2.	Как осуществляется процесс ЭХО деталей?
3.	Каковы технологические возможности ультразвуковой обработки деталей?
4.	Как осуществляются электронно-лучевая и светолучевая обработки и каковы
области их применения?
270
РАЗДЕЛ III .
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД
ГЛАВА 15. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДИСКОВ
Диски компрессора и турбины, соединенные между собой и валом,
образуют ротор. Конструктивная форма дисков зависит не только от
вида соединения, но главным образом от условий работы дисков.
Диски должны выдерживать большие центробежные нагрузки при
неравномерном температурном поле от обода до ступицы. Эти экс-
плуатационные условия вынуждают применять высокопрочные и
жаропрочные сплавы, труднообрабатываемые лезвийным инструмен-
том. Для создания жесткого ротора необходима особая форма дисков,
которая не всегда технологична.
15.1. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
И МАТЕРИАЛЫ
Конструкция и классификация дисков. Основными кон-
структивными элементами диска являются обод (венец) с пазами для
крепления лопаток, полотно (диафрагма), фланцы для связи с
соседними дисками и валом и ступица.
Диски различают: конструктивно (по способу соединения дисков
в роторы) — монолитные и сборные; по способу изготовления —
деформируемые, спекаемые (из гранул), литые, сварные, паяные.
У дисков сборной конструкции КИМ значительно выше, чем у
дисков монолитной конструкции, и достигает 0,4. Соединение дисков
компрессора в роторы осуществляют штифтами, призонными болта-
ми, торцевыми шлицами и стяжной трубой, электронно-лучевой
сваркой.
При штифтовом соединении диски между собой соединяются
напрессовкой по своим посадочным (центрирующим) поясам с после-
дующим креплением штифтами. Диски данной конструкции техноло-
гичны: простота их конфигурации (без сложных закрытых карманов,
полостей, лабиринтов) и невысокая трудоемкость изготовления.
Диски, соединяемые короткими и длинными призонными болтами,
имеют точно расположенные отверстия (х0,05 мм) с жесткими
271
допусками. Отверстия обрабатывают по специальному кондуктору
или на расточном станке, что сопряжено с определенными трудностя-
ми. Проще обработка отверстий в дисках в сборе с сопрягаемыми
деталями (проставками).
Диски компрессора и турбины, соединяемые в ротор с помощью
торцевых шлицев и стяжных болтов, технологичны; их обработка не
вызывает трудностей.
В сварном роторе диски, предварительно сцентрированные по
точно обработанным технологическим посадочным буртам, соединя-
ются между собой электронно-лучевой сваркой. Технологические
бурты после сварки срезаются точением. Метод соединения прогрес-
сивный, технологичный.
Монолитный ротор компрессора изготавливается из одной моно-
литной поковки точением. Он применяется в основном на малораз-
мерных двигателях (в вертолетостроении). Трудоемкость изготовле-
ния такого ротора очень велика из-за плохого доступа к местам
обработки при малых внутренних диаметрах и при относительно
большой длине ротора. Конструкция ротора не технологична.
Пазы дисков для соединения с лопатками. Диски в зависимости
от способа соединения их с лопатками бывают монолитные (за одно
целое с лопатками, например в ТНА, турбостартерах) и составные
неразъемные (сварные, паяные) и разъемные с креплением лопаток
в пазах диска (одновенечные, двухвенечные и многовенечные).
Пазы типа "ласточкина хвоста" (рис. 15.1, а) используются для
крепления лопаток в дисках компрессора. Конструкция паза наиболее
технологична; паз обрабатывается протягиванием.
Пазы елочного профиля (рис. 15.1, б) используются в основном
для крепления лопаток в дисках турбины, реже — в дисках компрес-
сора. Форма паза технологична: паз обрабатывается протягиванием.
В сравнительно малонагруженных роторах компрессора (с малой
частотой вращения) используются диски с шарнирным креплением
(рис. 15.1, в). По трудоемкости и сложности изготовления этот вид
крепления технологичен. Проточка паза под проушину лопатки и
обработка отверстий под штифты в диске не вызывают затруднений.
Кольцевой паз типа "ласточкина хвоста" представляет собой
точно выполненную кольцевую проточку в ободе диска. Кольцевой
паз менее технологичен, чем паз формы ’’ласточкина хвоста” прямо-
го типа. Трудности его изготовления связаны с выдерживанием
точных углов при точении, малой стойкостью и жесткостью резцов,
невозможностью'точного контроля профиля паза при изготовлении
и обеспеченйя высоких требований по точности и волнистости повер-
хностей. При проектирований дисков с малыми сечениями паза
следует избегать применения кольцевых пазов.
272
too,35± n,e'C11
— ---H-H inlWl —3_----------
±ПП7	->	---- Иойяота
Рис. 15.1. Форма лазов в дисках для соединения с лопатками и торцевые шлицы для
соединения дисков в ротор:
а — типа ’’ласточкина хвоста”; б — елочного профиля; в — с шарнирным креплением;
г — торцевые шлицы
Технические условия на изготовление дисков. Точность обработ-
ки отдельных поверхностей дисков и их взаимное расположение
характеризуются следующими величинами:
посадочные поверхности и лабиринтные
канавки.............................. 6...10-Й	квалитеты
отверстия под штифты ................ 8... 10-й	квалитеты
наружные диаметры ................... 8...11-Й	квалитеты
остальные поверхности................ П...12нй	квалитеты
биение наружных поверхностей
относительно посадочных ............. 0,02...0,1 мм.
Шероховатость посадочных поверхностей и пазов Ra -
- 1,25...0,32 мкм, остальные поверхности Ra = 2,5...0,63 мкм.
Пазы для крепления лопаток обычно обрабатываются со следую-
щей точностью:
Елочные пазы <см. рис. 15.1, б):
Допуск на шаг зубцов................. 0,02 мм
Допуск на ширину елочного паза....... 0,02...0,05 мм
Смещение опорных поверхностей
елочного профиля одной стороны
относительно другой.................. 0,02...0,03 мм
Погрешность углов елочного профиля
и трапеции паза...................... ±(5...15')
Непараллельность опорных поверхностей
замка относительно оси диска
на длине замка....................... 0,05 мм
Погрешность шага пазов
(по окружности)...................... 0,15...0,3 мм
Пазы типа "ласточкина хвоста” (рис. 15.1, а):
Посадочный размер (ширина паза А)....	8...9-й квалитеты
Погрешность угла замка............... ±5'
Шаг пазов по окружности.............. 0,15...0,3 мм
273
Торцевые шлицы (рис. 15.1, г) обрабатываются с точ-
ностью:
Погрешность окружного шага зубцов....... 0,02...0,05 мм
Допуск на толщину зубца................. 8...	11-й квалитеты
Погрешность угла зубцов ................. а3	= (40...600) ±10'
Диски балансируются статически и в собранном роторе — динами-
чески.
Допуск на массу диска составляет 5 % массы расчетного диска.
Материалы дисков. Диски турбин работают при высоких темпера-
турах (650—750 °C) под напряжением, поэтому их изготовляют из
жаропрочных сплавов ХН73МТБЮВД, ЭП741НП, ХН62БМКТЮИД,
ЭП743, ЭК79ИД, ВЖ122.
Диски осевых компрессоров работают при более низких темпера-
турах, особенно первые ступени, и с меньшей нагрузкой. Их изготав-
ливают из алюминиевых сплавов типа АК4-1, АК6-1 (редко), сталей
13Х12Н2В2МФА-Ш, ВНС-22,15Х12Н2ВМФАБ, 15Х16К5Н2ВМФАБ
(при температурах нагрева до 600 °C), титановых сплавов ВТЗ-1,
ВТ8М, ВТ18У, ВТ25У, ВТЗЗ (при температурах нагрева до 450 °C)
и жаропрочных сплавов ЭП718ИД (при температуре нагрева 700 °C).
Технологичность конструкции дисков. Диски компрессора при
небольшой массе имеют большую площадь поверхности, что в сочета-
нии с тонкими стенками обусловливает нетехнологичность конструк-
ции. Изготовление подобных дисков характеризуется низким КИМ
и значительной трудоемкостью механической обработки.
Диски турбины массивнее дисков компрессора и технологичнее.
Отношение массы к площади ее поверхности у дисков турбины
значительно больше. При конструировании этих дисков следует
стремиться к простой геометрической форме без большой разницы
между размерами отдельных элементов сечений; избегать ребер и
выступов, расположенных между ступицей и ободом (рис. 15.2, а);
изготовление таких дисков связано с повышенным расходом металла
и большим объемом последующей механической обработки; предус-
матривать плавные переходы от сечения к сечению, глубокие полости
(рис. 15.2, б) не рекомендуется, так как они усложняют производство
заготовок и их механическую обработку.
Диски больших габаритных размеров с глубокими (рис. 15.2, в)
полостями целесообразно расчленять на несколько элементарных
деталей (рис. 15.2, г): элементарный диск без глубоких полостей и
два кольца.
Для изготовления дисков с минимальной механической обработкой
необходимо назначать рациональные соотношения между основными
274
Рис. 15.2. Примеры нетехнологичных конструкций дисков:
а — с выступами А на полотне между ступицей и ободом; б, в — с глубокой полостью;
г — технологичная конструкция диска (сборная)
конструктивными элементами — диаметром диска и толщиной полот-
на, высотой обода или ступицы и толщиной их стенок, радиусами
переходов и закруглений, руководствуясь ОСТ 1.41188—-72.
Для уменьшения номенклатуры применяемого режущего и изме-
рительного инструмента в пределах одного ротора компрессора или
турбины необходимо стремиться при проектировании дисков к мини-
мальному числу типоразмеров пазов, канавок, радиусов сопряжений
поверхностей и других конструктивных элементов.
15.2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКОВ
Заготовки дисков турбин и компрессоров штампуют в
закрытых штампах на ковочных молотах и мощных прессах. Форму
заготовки стремятся приблизить к форме готовых дисков. Припуск на
механическую обработку около 5...6 мм на сторону. Однако в ряде
случаев из-за сложной конфигурации детали припуски значительно
больше. КИМ составляет около 0,1. Заготовки дисков на авиацион-
ные двигателестроительные заводы поступают предварительно обра-
ботанными заводом-поставщиком. Их подвергают ультразвуковому
контролю для выявления внутренних дефектов.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом переходят на
изготовление дисков компрессора и турбины горячим изостатическим
йрессованием гранул в газостате (методом порошковой металлур-
гии) . Основные этапы технологического процесса — получение
гранул (диаметром 5...500 мкм); очистка и сортировка гранул по
размерам; горячее изостатическое прессование заготовки из гранул
в газостате (температура нагрева 1200 °C, давление 200 МПа). Горя-
Белов А.Ф. Металл: улучшение качества — путь к экономии // Наука и жизнь.
1982. № 2. С. 2-9.
275
чее изостатическое прессование повышает жаропрочность и пластич-
ность материала заготовки.
Для дисков компрессора отрабатываются технология и оборудова-
ние с целью получения заготовок с регулируемой структурой методом
изостатического прессования порошков с разными механическими
свойствами .
Перспективной является также изотермическая штамповка и
раскатка заготовок дисков компрессора и турбины в условиях сверх-
пластичности. Сущность этого направления состоит в следующем.
Рабочие валки создают гидростатическое давление на материал
заготовки, находящийся в очаге деформации. Величина гидростати-
ческого давления превышает предел текучести материала, что подав-
ляет порообразование, исключает появление трещин и других не-
сплошностей. Соблюдение изотермических условий в этом процессе
деформирования обеспечивает мелкозернистую равноосную структуру
при незначительной ориентации зерен в направлении течения метал-
ла. Материал заготовок дисков имеет повышенные механические
свойства с малым их разбросом.
В настоящее время разработаны технологические процессы сверх-
пластического раскатывания дисков из титановых и жаропрочных
сплавов.
При изготовлении дисков традиционными методами КИМ состав-
ляет 0,08; при использовании предварительных заготовок из порош-
ков КИМ — 0,2 и при применений горячего изостатического прессова-
ния КИМ — 0,3.
Заготовки турбинных дисков с лопатками получают литьем по
выплавляемым моделям с точностью 10... 13-го квалитетов и шерохо-
ватостью поверхности Ra = 10... 1,25 мкм. Лопатки таких дисков
механически не обрабатывают, а лишь зачищают отдельные места.
Все остальные поверхности литых дисков обрабатывают так же, как
и штампованные.
Технологические базы для обработки дисков. Технологическими
базами при механической обработке дисков являются центрирующие
(посадочные) пояски или отверстие в диске и торцы.
Технологические базы в дисках турбины — центрирующие пояски
или отверстия, торцы фланцев и в ряде-случаев технологический
бурт с отверстием с одной стороны полотна (рис. 15.3, а).
Технологические базы в дисках компрессоров с'центрирующими
поясками (барабанного типа) — центрирующие пояски и торцы диска
НИЦ имени Льюиса (США).
276
Рис. 15.3. Технологические базы для обработки диск®:
а, б — диски турбины; в, г — диски компрессора
(рис. 15.3, в), а в дисках с торцевыми шлицами — отверстие и торцы
диска (рис. 15.3, г).
Малая жесткость дисков компрессоров требует частой правки
технологических баз, например, в ряде конструкций дисков торцы
обрабатывают до трех раз.
Основные этапы технологического процесса
изготовления дисков
Диски турбины
1.	Штамповка, изготовленная горячим изостатическим прессованием гранул,
предварительно грубо проточена кругом заводом-поставщиком.
2.	Точение контура диска перед ультразвуковым контролем.
3.	Ультразвуковой контроль внутренних дефектов материала заготовки.
4.	Черновое точение контура диска, раздельно правую и левую стороны. Токарный
станок с ЧПУ 1П732РФЗ.
5.	Стабилизирующий отжиг (температура нагрева 870 ± 10 °C; выдержка 5 ч),
б.	Чистовое точение контура диска, раздельно правую и левую стороны. Токарный
станок с ЧПУ АТ320МС, MDW-20S фирмы ’’Макс Мюллер” (ФРГ).
7.	Окончательная обработка хвостовика диска; токарный станок с ЧПУ АТ320МС.
8-	Промежуточный контроль.
'	9. Протягивание торцевых шлицев. Горизонтально-протяжный станок 7Б56.
10.	Сверление и зенкерование различных отверстий. Радиально-сверлильный
станок 2Н55.
11.	Фрезерование облегчений на фланцах диска. Вертикально-фрезерный станок
МА-655.
12.	Нарезка резьбы в хвостовике диска. Резьбофрезерный станок.
13.	Протягивание елочных пазов. Горизонтально-протяжный станок 7Б57.
14.	Шлифование торцевых шлицев.
15.	Полирование наружного контура диска.
16.	Точеине лабиринтных канавок. Токарный станок.
277
17.	Окончательный контроль, в том числе и люминесцентный ЛЮМ-1.
18.	Стабилизирующий отжиг в аргоне или в вакууме (температура нагрева
870 ± 10 "С, выдержка 5 ч.),
19.	Деформационное упрочнение микрошариками торцевых шлицев, сопряжений.
Установки типа УДМ-3, ВУД-500М, ВУД-1000ДМ.
Диски компрессора
Технологические процессы изготовления дисков компрессора и
турбины во многом подобны, но имеется и некоторое их различие.
1.	Заготовка — штамповка, полученная методом порошковой металлургии.
2.	Точение контура диска перед ультразвуковым контролем.
3-	Ультразвуковой контроль внутренних дефектов материала дйска.
4.	Черновое точение контура диска, раздельно правую и левую стороны, токарный
станок с ЧПУ АТПР-800.
5.	Полирование наружного контура диска перед травлением.
6.	Травление и рентгеновский контроль внешних и внутренних дефектов материала
диска.
7.	Стабилизирующий отпуск.
8.	Чистовое точение контура диска, раздельно правую и левую стороны. Токарные
станки с ЧПУ АТ320МС, DF-1000-фирмы ”Хацд” (Австрия); MDW-20S фирмы ’’Макс
Мюллер”.
9.	Окончательное точение контура диска, раздельно правую и левую стороны.
Токарные станки с ЧПУ АТ320МС, DF-1000, MDW-20S.
10.	Протягивание пазов типа ’’ласточкина хвоста” или точение кольцевого паза для
установки лопаток. Горизонтально-протяжный станок 7Б57, токарный станок.
11.	Сверление и зенкерование различных отверстий. Радиально-сверлильный
станок 2Н55. »
12.	Подрезка торцев с обеих сторон (восстановление технологических баз).
13-	Полирование наружных поверхностей контура дисков. х
14.	Окончательный контроль, в том числе и ЛЮМ-1.
15.3.	ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ОБРАБОТКИ ДИСКОВ
Характерными операциями для дисков являются: точение
наружного контура (диафрагмы, фланцев) и центрирующих (поса-
дочных) поясков; обработка пазов для лопаток и торцевых шлицев;
сверление и зенкерование отверстий и фрезерование облегчений.
Обработка технологических баз и наружного контура дисков.
Конфигурации диафрагмы и фланцев диска отличаются большим
разнообразием. Черновая и чистовая обработка поверхностей наруж-
ного контура дисков производится на токарных станках с ЧПУ
раздельно или одновременно с двух сторон.
- Раздельное точение правой и левой сторон дисков средних разме-
ров (диаметром до 400 мм) осуществляется на станках с ЧПУ типа
АТ320МС, 1П752, 1П756, MDW-10 фирмы ’’Макс Мюллер”. Диски
278
диаметром больше 400 мм обрабатывают на станках типа АТПР-800,
ТД-1000, MDW-20S, РТ751 фирмы ’’Хайд”.
Одновременно с двух сторон можно обрабатывать диски компрес-
соров на многооперационных станках с ЧПУ типа DRMN-750 (диски
диаметром до 750 мм) и DRN-1250 (диаметром до 1250 мм) фирмы
’’Хелигенштадт” (ФРГ).
Точение стенок относительно большой толщины (до 5...6 мм) не
вызывает затруднений. Стенки (полотно) малых толщин, менее
2.5...3 мм, очень сложны в обработке из-за недостаточной их жес-
ткости: они прогибаются, деформируются, что приводит к разностен-
ности, снижению точности взаимного расположения поверхностей,
ослаблению размеров и другим дефектам.
Существует много способов для уменьшения или устранения этих
деформаций, 'но они малоэффективны. Одним из прогрессивных
способов обработки тонкостенных диафрагм является их точение на
станках с ЧПУ одновременно с двух сторон.
Обработка неглубоких канавок (глубиной до 5... 6 мм) и шириной
4...5 мм канавочными резцами не вызывает затруднений. Точение
глубоких и узких канавок и лабиринтов, как торцевых, так и ради-
альных, и особенно внутренних, — сложное и трудоемкое. Из-за
малой ширины канавок резцы для обработки лабиринтов имеют
малые сечения и жесткость. Они обрабатываются на малых скорос-
тях, подачах и глубинах. Обработка их не технологична. При проек-
тировании необходимо это учитывать и переходить к более техноло-
гичным конструкциям.
Обработка пазов под лопатки и торцевых шлицев. Обработка
пазов под лопатки — одна из наиболее трудоемких и важных опера-
ций.
Елочные пазы обрабатывают только протягиванием, обычно
комплектом из 5...7 протяжек на горизонтально-протяжных станках.
Последовательность снятия припуска у елочного паза показана на
рис. 15.4, а. Трапециевидный паз обрабатывается тремя-четырьмя
протяжками.
Пазы в дисках компрессоров типа ^ласточкина хвоста” протяги-
вают на горизонтально-протяжных станках. Последовательность
образования этого паза показана на рис. 15.4, б. Диск закрепляется
в делительном приспособлении, устанавливаемом на станке прямо
или под углом в зависимости от направления паза.
Кольцевые пазы обрабатывают точением (рис. 15.4, е), иногда в
узле ротора (из трех и более дисков, сваренных электронным лучом),
набором резцов в специальных державках.
279
Рис. 15.4. Схемы обработки пазов в дисках:
а — елочного профиля; б — типа ’’ласточкина хвоста”; в — кольцевого: 1..S —
переходы
Торцевые шлицы можно обработать фрезерованием, круговым
протягиванием на специальных станках, строганием или шлифовани-
ем фасонным абразивным кругом на специальных станках.
Высокая точность окружных шагов торцевых шлицев <0,02...0,05
мм) — основная трудность в их обработке, так как точность деления
в обычных делительных устройствах (с фиксацией клином, штырем)
составляет 0,1...0,3 мм. В связи с этим были созданы специальные
делительные устройства (прецизионные), обеспечивающие точность
деления до 0,02 мм. Характерные особенности этих делительных
приспособлений —• делительный дней большого диаметра, фиксация
деления осуществляется беззазорным прижатием призматического
фиксатора к круглым штырям, запрессованным в делительный диск
С’беличье колесо”).
Торцевые шлицы фрезеруют фасонной дисковой фрезой в пово-
ротном делительном приспособлении на горизонтально-фрезерном
станке. За один двойной продольный ход стола станка обрабатывается
один паз на всю глубину. Метод фрезерования из-за большого време-
ни на врезание и возвратный ход стола непроизводителен.
Круговое протягивание круговой протяжкой (рис. 15.5) на шли-
цепротяжном полуавтомате типа ПШН является более производи-
тельным методом. На горизонтальном шпинделе станка установлена
круглая протяжка, а на делительном столе — обрабатываемый диск.
Круглая протяжка состоит из дискового корпуса, оснащенного режу-
щими зубчатыми секторами. Существующие протяжки имеют 15
режущих секторе® и два калибрующих по 11 зубьев в каждом секто-
ре. Часть обода протяжки оставляется свободной, без секторов. На
станке протяжка непрерывно вращается вокруг своей оси, а круглый
стол станка с обрабатываемым диском периодически совершает
280
Рис. 15.5. Схема кругового протягивания
торцевых шлицев в дисках компрессора на
шлицепротажном полуавтомате ПШН
небольшие возвратно-поступательные
движения подачи в направлении оси
обрабатываемого паза (продольная
подача 5пр). Поворот стола с диском
на следующий паз происходит авто-
матически, без остановки вращения
протяжки, в момент, когда имеющий-
ся на протяжке свободный участок
займет положение над обрабатывае-
мой поверхностью диска.
Торцевые шлицы на дисках наре-
зают так же строганием, причем
наиболее производительным является многолезвийное непрерывное
строгание на многорезцовом полуавтомате типа ПШХ-1 с движением
резцов по конхоиде^
Сверление отверстий- Отверстия во фланцах, диафрагме и на
ступице сверлятся по накладным кондукторам на обычных верти-
кальных или радиально-сверлильных станках. При сверлении на
одношпиндельных вертикально-сверлильных станках кондуктор
делается поворотным, а на радиально-сверлильных — неподвижным.
Радиальные отверстия под штифты для крепления лопаток в пазах
или для соединения дисков сверлят на вертикально-сверлильных
станках в кондукторах с делительным устройством.
15.4.	ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
ДИСКОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Основными направлениями повышения ресурса и надеж-
ности работы дисков компрессора и турбины являются деформацион-
ное упрочнение и ионно-лучевая обработка наружных поверхностей.
Деформационное упрочнение дисков. Деформационное упрочне-
ние в основном используется для повышения усталостной прочности
материала дисков в местах конструктивных концентраторов напряже-
ний (канавки, пазы, острые кромки, радиуса сопряжений и др.),
работающих при умеренных температурах нагрева в условиях экс-
плуатации- В настоящее время разработан ряд методов упрочнения
дисков турбин и компрессоров: виброупрочнение, струйно-гидравли-
ческий, ультразвуковой и упрочнение микрошарнками.
281
Рис. 15.6. Схемы деформационного упрочнения дисков турбины и компрессора:
а — виброупрочнение на установке ВУД-1 ОООДМ; б — струйно-гидравлическое
упрочнение; J — контейнер; 2 — обрабатываемый диск; 3 — рабочая среда; 4 —
подвижная рама; 5 — вибратор; б, 7 — упругие элементы; 8 — электродвигатель; 9 —
основание
Виброупрочнение дисков осуществляется на установках типа
ВУД-500М и ВУД-1 ОООДМ, на которых обрабатываются диски диа-
метром до 350 и 1200 мм соответственно (рис. 15.6, а). При упро-
чнении тонких дисков возможна их поводка. Более производитель-
ным является струйно-гидравлический (гидродробеструйный) метод
(рис, 15.6, б). Диски диаметром до 800 мм упрочняются шариками из
стали ШХ15 диаметром 1... 1,3 мм на установке ГДП-3. Многосопло-
вые струйно-гидравлические установки позволяют упрочнять диски
также металлическими и стеклянными микрошариками.
Разработан также ультразвуковой способ упрочнения дисков
диаметром до 300 мм. Большая равномерность обработки шариками
всех поверхностей уменьшает деформации диска, шероховатость
составляет Ra ~ 0,63...0,32 мкм.
Деформационное упрочнение дисков стальными- или стеклянными
микрошариками диаметром 160...200 мкм выполняется иа дробемет-
ной установке типа УДМ-3 (рис. 15.7). Принцип ее работы подобен
работе установки УДМ-2 (см. подразд. 5.1). Отличительной особен-
ностью данной установки является то, что внутрь камеры введены
дополнительный вал и стол для установки обрабатываемого диска.
Стол обеспечивает возможность ориентации обрабатываемых повер-
хностей диска (полотна, пазов) относительно потока микрошариков
282
Рис. 15.7. Схема дробеметной установки
УДМ-3:
1 —- камера; 2 — шпиндель поворота
детали; 3 — рабочая среда; 4 — подвиж-
ная рама; 5 — вибратор; б, 7 — упругие
элементы; 8 — электродвигатель; 9 —
основание
из дробемета. Важным преиму-
ществом упрочнения микрошари-
ками является возможность плас-
тической деформации поверхнос-
тей малоразмерных конструктив-
ных концентраторов напряжения
— острых кромок, малых радиу-
сов переходов и др.
Ионно-лучевая обработка (см.:
[. 5.6) наружных поверхнос-
тей дисков является весьма перспективным направлением для повы-
шения их усталостной прочности и сопротивления коррозии. Разра-
ботка технологии, оборудования и их внедрение существенно увели-
чат ресурс и надежность работы дисков — высоконагруженных дета-
лей двигателя.
15.5.	ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ДИСКОВ
Технический контроль дисков предусматривает проверку
внешних и внутренних дефектов материала диска, соответствие
шероховатости обработанных поверхностей, заданной по техническим
условиям чертежа, контроль геометрических размеров, формы и
взаимного расположения поверхностей диска.
Внешние дефекты материала диска проверяются визуально после
травления и с помощью ЛЮМ-1 (см, подразд. 16.9). Внутренние
дефекты материала диска проверяются ультразвуковым методом. Он
основан на подаче в металл заготовки ультразвуковых колебаний с
частотой примерно 20 кГц. Для этого контроля применяются двухго-
ловочные импульсные дефектоскопы типа УД-10УА, ДУК-66, ДУК-
66П, УД-11ПУ, УД-12ПУ, УЗДУ-1. В них одна искательная головка
посылает ультразвуковые колебания в глубь металла, а другая при-
нимает сигналы этих колебаний, отраженных от дефектного места
(трещин, пузырей, рыхлот и других), находящихся на пути ультраз-
вуковых колебаний. Наличие дефекта в металле заготовки определя-
ется сканированием (передвижением) искательных головок по повер-
хности заготовки.
283
Шероховатость обработанных поверхностей обычно проверяется
сравнением с эталонами и непосредственным измерением с помощью
профилометров.
Все поверхности дисков по размерам, форме и взаимному располо-
жению контролируются механическими, оптико-механическими и
пневматическими измерительными средствами. Особое внимание при
контроле дисков обращается на точность пазов под лопатки, торце-
вых шлицев и посадочных поверхностей.
Елочные пазы проверяются на проекторе, инструментальном
микроскопе, индикаторными приборами, калибрами по роликам и на
пневморотаметре.
Проверка всех точностных параметров в условиях серийного
производства является очень трудоемкой, требующей многих измери-
тельных средств. Поэтому некоторые параметры, как, например,
углы профиля и радиусы закруглений в отдельных зубцах и между
ними, проверяют на большом инструментальном микроскопе, а
профиль паза — на проекторе с 50-кратным увеличением. Такому
контролю подвергаются пазы, протянутые на образцах комплектом
новых или вновь заточенных протяжек, а также и перед отправкой
их в заточку. Однако такой контроль не выявляет отклонений разме-
ров во всех пазах диска, поэтому ширину паза, шаг между зубцами,
расположение одной стороны паза относительно другой, шаг между
пазами и некоторые другие размеры проверяют во всех пазах с
помощью механических и пневматических приборов. Ширина паза
проверяется двумя роликами и предельным калибром.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
I.	Какие конструктивно-технолсгические особенности характерны для дисков ГТД?
2.	Каковы основные ТУ на изготовление дисков компрессоров и турбин?
3.	Какие материалы и виды заготовок применяют для изготовления дисков?
4.	Каковы основные этапы технологического процесса изготовления дисков
турбины?
5.	Как обрабатывают пазы под лопатки турбины и компрессора?
6.	Какие технологические методы применяют для повышения ресурса и надежнос-
ти работы дисков?
глава 16. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛОПАТОК
Лопатки в газотурбинных двигателях являются наиболее нагру-
женными и массовыми деталями, определяющими надежность,
ресурс, стоимость и трудоемкость изготовления двигателя.
Число лопаток в современных двигателях составляет 2...3,5 тыс.
штук.
284
Ресурс работы лопаток в двигателе для военно-тактической авиа-
ции — 500... 1000 ч, а для гражданской авиации (пассажирской,
транспортной) — 10...20 тыс.ч.
Стоимость комплекта лопаток для двигателя составляет 20..35 %
общей стоимости двигателя. Трудоемкость изготовления комплекта
лопаток для двигателя достигает до 20...35 % общей трудоемкости
изготовления двигателя. Производство лопаток ГТД вызывает опреде-
ленные технологические трудности из-за высоких требований к
точности сложно-фасонной поверхности пера и геометрических
размеров хвостовика, а также плохой обрабатываемости материалов,
применяемых для их изготовления. Технология изготовления загото-
вок лопаток и их обработки требует применения дорогостоящего
специализированного технологического оборудования, уникальной
оснастки и контрольно-измерительных средств. Поэтому конструкция
лопаток должна быть технологичной, обеспечивающей максимальное
применение существующего технологического оборудования, а также
возможность механизации процессов механической обработки, резко-
го сокращения объема ручных полировально-доводочных операций.
Устранение ручной обработки стабилизирует технологический про-
цесс, а следовательно, и качество лопаток, позволяет повысить
надежность и ресурс двигателя.
Лопатки ГТД различают: по их назначению —
рабочие (лопатки ротора турбины и ротора компрессора, вращаю-
щиеся с дисками), сопловые и спрямляющие (неподвижные); кон-
структивно-монолитные (сплошные, не охлаждаемые); с каналами;
пустотелые; вафельные паяные из двух половинок (охлаждаемые)
лопатки турбины; по способу изготовления — деформируемые
(кованые, прессованные, вальцованные); литые; свариваемые; спека-
емые.
Основными конструктивными элементами лопаток компрессора и
турбины являются перо и корневая часть (хвостовик или замок)
лопатки. Перо лопатки имеет сложную пространственную форму с
постоянными или переменными профилями поперечных сечений по
длине. Сечения могут быть повернуты относительно друг друга,
образуя закрутку пера. Выпуклую сторону пера принято называть
спинкой, а вогнутую — корытом. Кромку пера со стороны входа газа
называют входной (передней), а противоположную — выходной
(задней).
Перо рабочих лопаток трубин имеет переменные сечения по длине
и закрутку до 60°. Спинка и корыто пера в сечении обычно очерчены
кривой переменного радиуса. Такой профиль пера лопатки задают
координатами отдельных точек. Иногда поверхность корыта имеет
285
цилиндрическую или коническую форму с плавным переходом в
плоскость.
Перо сопловых лопаток турбин имеет сечения, постоянные или
изменяющиеся по длине лопатки, с углом закрутки до 10°. Такие
лопатки делают без замка или с двумя замками. ‘
Перо рабочих, спрямляющих и направляющих лопаток компрессо-
ра более сложной формы, чем у лопаток турбины: сечения и радиусы
кривизны по длине пера переменные, а угол закрутки достигает 45°.
Разъемные соединения лопаток с дисками выполняются при
помощи замков различной конструкции. Основные формы замков
следующие: елочные, типа ’’ласточкина хвоста” (трапецеидальный)
и шарнирный (вильчатый). Елочный замок чаще встречается у
рабочих лопаток турбины, а типа ’’ласточкина хвоста” и шарнирный
— у рабочих лопаток компрессоров. Лопатки, соединяемые с корпуса-
ми направляющих аппаратов посредством сварки, пайки, замков не
имеют (беззамковые).
Для повышения жаростойкости перо рабочих, а иногда и сопловых
лопаток алитируют, хромоалитируют, наносят жаростойкие защит-
ные покрытия, подвергают ионному легированию. На перо рабочих
лопаток компрессора для повышения сопротивления солевой коррозии
и эрозии наносят защитные покрытия или подвергают ионному
легированию.
Учитывая разные условия работы лопаток в двигателе и особен-
ности их конструкции, рассмотрим технические условия, материалы
и технологии изготовления раздельно для лопаток турбины и лопаток
компрессора.
16.1. КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
И МАТЕРИАЛЫ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
Лопатки турбины, как и компрессорные, являются,
массовыми деталями. Некоторые современные ГТД имеют до семи
ступеней турбины с общим числом лопаток на моторокомплект более
500.
В зависимости от назначения лопатки турбины делятся на лопатки
ротора турбины, или рабочие лопатки, и лопатки статора турбины
(лопатки соплового аппарата).
Длина лопаток турбины 40...400 мм. Основную массу составляют
лопатки длиной 120...250 мм.
Основными конструктивными элементами рабочей лопатки явля-
ются перо и замковая часть, иногда на конце лопатки располагается
бандажная полка. Профилирование рабочих,лопаток выполняется в
соответствии с теорией газовых турбин. Профили строятся для не-
286
Рис. 16.1. Охлаждаемые рабочие лопатки турбины:
I — многоканальные (а, б, в); II — дефлекторные (г, б); III — бездефлекторные с
перфорацией (е, ж) и с пористой оболочкой (3)
скольких расчетных сечений, сопрягаемых между собой плавными
переходами.
Классификация лопаток. Рабочие лопатки турбины различают
охлаждаемые и неохлаждаемые (монолитные). Охлаждаемые лопатки
бывают многоканальные, дефлекторные, перфорированные и с порис-
той оболочкой (рис. 16.1). Лопатки первых ступеней охлаждаемые.
В настоящее время наиболее распространены бездефлекторные с
перфорацией и без нее. Наименьшую эффективность охлаждения
имеют лопатки с тремя каналами и петлевой системой движения
воздуха. Несколько лучшую эффективность охлаждения имеют
лопатки с радиальными отверстиями (и 1,25 мм). Еще лучшей являет-
ся литая лопатка со вставным дефлектором. Наилучший эффект
287-
получается в турбинных лопатках с пористым охлаждением. Боль-
шинство лопаток имеет перфорационные отверстия, они располагают-
ся прежде всего ближе к входной кромке в два или в три ряда,
реже — по спинке и корыту. Отверстия диаметром 0,3...0,6 мм, их
число — до 100 и более.
Сопловые лопатки обычно охлаждаемые с дефлектором и перфо-
рацией пера лопатки.
Замки лопаток. Рабочие лопатки турбины имеют елочный про-
филь замка (хвостовика). Замки сопловых лопаток геометрически
более простые, их полки прямоугольного или косоугольного контура
с цапфой или без нее. Полки замков обычно с развитыми элементами
для крепления в наружном и внутреннем кольцах соплового аппара-
та. Беззамковые лопатки теперь редко встречаются.
Технические условия на изготовление лопаток турбины характе-
ризуются следующими требованиями к точности обработки.
Перо лопаток (рис. 16.2, а). Отклонение профиля спинки ДПС и
корыта ДПК в расчетных сечениях от заданных допускаются от 0,10
до 0,30 мм. Отклонения толщины профиля пера ДСгаах = ДПС + ДПК;
толщин стенок пера охлаждаемой лопатки ±0,3 мм.
Смещение выходной кромки от номинального положения в на-
правлении оси х от ±0,20 до ±0,30. Смешение профиля пера в корне-
вом сечении от номинального положения в направлении оси у от
±0,05 до ±0,20 мм.
Рис. 16.2. Основные конструктивные элементы рабочей лопатки турбины, определя-
ющие точность ее изготовления:
а — перо лопатки; б — елочный профиль хвостовика
288
Отклонения ширины хорды профиля пера Ай от ±0,20 до
±0,30 мм.
Шероховатость пера Ra = 0,63...0,08 мкм, внутренней полости
Rz = 20...40 мкм.
Перфорационные отверстия на пере лопатки е>0,2...0,6 мм имеют
допуск 0,05 мм, шероховатость Ra = 2,5—0,15 мкм.
Елочный замок (рис. 16.2, б). Шаг зубцов имеет допуск 0,01...
0,02 мм (5-й квалитет). Толщина хвостовика по средней линии
зубцов 0,02...0,06 мм (6-й квалитет).
Допуски на углы замка: угол, определяющий положение опорной
поверхности зубца, а3 = 9О...1О4°±1О; угол паза рз = 42—56°±30; угол
клина хвостовика у3 = 25—30° ±30.
Взаимное смещение рабочих поверхностей зубцов одной гребенки
хвостовика относительно другой в направлении плоскости симметрии
хвостовика не-более 0,02 мм. Шероховатость поверхности зубцов
Ra = 1,25...0,32 мкм.
Число типоразмеров елочных замков около 100.
Материалы лопаток турбины. Лопатки газовой турбины являются
наиболее нагруженными деталями ГТД, работают в условиях высо-
ких температур нагрева, напряжений и агрессивной среды продуктов
сгорания топлива. Газовый поток оказывает не только химическое,
но и механическое воздействие на поверхностный слой лопаток
турбины, вызывая коррозионное и эрозионное разрушение. Поэтому
требования к материалам лопаток газовой турбины, а особенно к
рабочим лопаткам, весьма высокие, с широким интервалом физико-
химических свойств. Материалы лопаток газовой турбины должны
обладать высоким сопротивлением ползучести, усталости, высокотем-
пературной газовой коррозии, эрозионному разрушению; располагать
достаточной жаропрочностью и пластичностью; быть малочувстви-
тельными к надрезам (концентраторам напряжений) и в то же время
удовлетворять определенным технологическим свойствам; обрабаты-
ваемостью резанием, давлением, свариваемостью; хорошими литей-
ными свойствами.
Лопатки турбины изготавливают из жаропрочных сплавов на
никель-хромовой и никель-хром-кобальтовой основе, легированных
Ti, Al, Mo, W, Nb, Zr, В, V, Y, Hf, La, Re, Та и др. Используются в
основном литейные жаропрочные сплавы, реже — деформируемые.
Литейные сплавы в настоящее время более жаропрочные и жаростой-
кие, чем деформируемые сплавы.
Для изготовления рабочих и сопловых лопаток применяют следу-
ющие жаропрочные сплавы: литейные при температуре нагрева
950...1000 °C - ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ-12У и др.; при 1050...1100 °C -
ЖС6УВИ, ЖС6Ф, ЖС26ВИ, ЖСЗО, ЖС32 и др.; деформируемые
289
сплавы при температуре нагрева до 950 °C — ЭП929, ЭП109, ЭП220,
ЖС6КП и др.
В перспективе для лопаток турбины представляют особый интерес
тугоплавкие металлы и их сплавы (Та, Ст, W, Nb и др.) и керамика.
Технологичность конструкций лопаток турбины. В настоящее
время литье по выплавляемым моделям (в оболочковые формы)
является единственным методом, который позволяет в промышленном
масштабе наиболее экономично получать заготовки рабочих и сопло-
вых лопаток турбины с точностью и шероховатостью трактовых
поверхностей заготовки, не нуждающихся в последующей их обработ-
ке.
Основные технологические требования к конструкции литых лопа-
ток и заготовке, обеспечивающие высокое качество лопаток, сводятся
к следующему. Чтобы избежать коробления пера лопатки и образова-
ния рыхлот и раковин, рекомендуется монолитные лопатки отливать
с максимальной толщиной пера не более 9 мм. Если по конструкции
лопатка должна иметь максимальную толщину более 9 мм, то необ-
ходимо перо лопатки выполнять полым. В бандажной полке следует
предусматривать технологические отверстия для фиксации керами-
ческих стержней в литейной форме.
В конструкции лопаток необходимо предусматривать радиусы
скруглений (галтели). В местах перехода от пера к замковым полкам
или хвостовикам радиус скругления должен быть в пределах 3...5 мм;
в турболизаторах, расположенных в полости, не менее 0,5 мм. Тол-
щину стенок необходимо выполнять с уклоном 0,5 мм на 100 мм
длины пера. Толщина стенок пера допускается не менее 0,6 мм.
Штырьки, связывающие стенки корыта и спинки, необходимо
располагать в шахматном порядке. Расстояние между штырьками и
диаметр штырьков должны быть не менее 4 и 2 мм соответственно.
Сопряжение штырьков со стенками корыта и спинки пера следует
оформлять галтелями.
16.2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
Заготовки для лопаток турбины. Лопатки турбины
изготавливают из литейных и реже из деформируемых жаропрочных
сплавов.
Заготовки из литейных сплавов получают литьем по выплавляе-
мым моделям (прецизионное литье в оболочковые формы), а из
деформируемых сплавов — горячим объемным деформированием.
Литые заготовки лопаток турбины. Серий-
ное изготовление лопаток турбин из литых заготовок является более
290
Рис. 16.3. Схема получения отливок высокоскорос-
тной направленной кристаллизацией в вакуумной
или нейтральной среде:
J — крышка из графитового волокна; 2 — нагреватель;
3 — изолятор; 4 — керамическая форма; 5 — жидкий
металл (1560±30 °C); 6 — поверхность раздела рас-
плава и твердого металла (зона градиента температур);
7 — затравка (сплав NiW); S — жидкометаллический
кристаллизатор (расплав алюминия, 679...800 °C)
экономичным, чем из штампованных. При вакуумной плавке и
заливке форм технологические отходы металла (литниковая система,
выпоры и др.) не окисляются. Их можно повторно использовать при
плавке, а это снижает расход дорогостоящего металла. Себестоимость
изготовления лопаток при этом снижается до 60 %.
Заготовки-отливки лопаток различают: обычные, с поликристал-
лической или равноосной структурой; с направленной кристаллиза-
цией (НК) и монокристаллические, имеющие столбчатую дендрит-
ную структуру.
Литье с направленной кристаллизацией в оболочковые формы в
настоящее время является одним из основных методов получения
литых заготовок лопаток ротора из жаропрочных сплавов.
Схема получения отливок с НК представлена на рис. 16.3.
Направленно-кристаллизационные отливки ориентацию структуры
(зерен) приобретают в процессе прохождения оболочковой формы с
жидким металлом фронта кристаллизации через зону градиента
температур на поверхности раздела расплава и твердого металла.
Кристаллизация металла в керамической форме строго контролирует-
ся путем создания соответствующего продольного и поперечного
градиентов температур.
В настоящее время в отечественном авиадвигателестроении ис-
пользуются два варианта технологии получения отливок рабочих
лопаток турбины: низко- и высокоградиентной (высокоскоростной)
направленной кристаллизации.
Низкоградиентная НК (значение градиента температур на фронте
кристаллизации не превышает G 30 °С/мм, скорость кристаллиза-
ции V “ 0,5...1,0 (5,0) мм/мин) реализуется в печах типа ПМ, кото-
рые имеют высокую производительность и обеспечивают получение
направленных структур отливок лопаток длиной свыше 400 мм. К
недостаткам низкоградиентных процессов относятся малая скорость
охлаждения и крупная дендритная структура отливок.
i0*
291
Высокоскоростная НК, используя жидкометаллическое охлажде-
ние, осуществляется при градиенте температур на поверхности
раздела расплава и твердого металла G = 40...50 °С/мин со скоростью
кристаллизации v - 20...40 мм/мин. Отливки с НК получаются более
плотными и однородными по всем сечениям пера. Высокоскоростная
НК исключает образование поверхностных дефектов ликвационного
происхождения — струйной полосчатости и поверхностных карбидов
типа М6С. Перо отливки образуется из 1...3 зерен и бёз поперечных
границ зерен, по которым чаще всего происходит разрушение лопа-
ток в условиях эксплуатации. Лопатки с НК имеют более высокую
длительную прочность, а ресурс работы лопаток с НК в два-три раза
выше по сравнению с лопатками с поликристаллической равноосной
структурой. Для реализации метода высокоскоростной НК созданы
специализированные вакуумные установки УВНК-8П.
Более перспективными являются отливки с монокристаллической
структурой, не содержащей поперечных границ зерен. Лопатки с
монокристаллической структурой лучше сопротивляются высокотем-
пературной газовой коррозии, а ресурс работы у этих лопаток
выше, чем у лопаток с НК. Рабочие лопатки ТВД с монокристалли-
ческой структурой на ряде заводов изготавливают на установках типа
ПМП-2 и УППФ-ЗМ (механизированная).
Отливки лопаток с равноосной структурой, с НК и монокристал-
лические изготавливают прецизионным литьем в оболочковые фор-
мы. Прецизионное литье в оболочковые формы обеспечивает получе-
ние литых заготовок без припуска на механическую обработку пера
лопатки с шероховатостью поверхности Ra = 5...2,5 мкм. Припуск по
замку 0,8... 1,2 мм на сторону. КИМ литой лопатки около 0,6.
Сущность процесса литья заключается в следующем. Из легкоп-
лавких или легкорастворимых в воде материалов в пресс-форме
получают модель лопатки. Ее покрывают специальной силикатной
обмазкой, которая при высыхании образует на модели лопатки корку
(оболочку). Далее из модели, покрытой керамической обмазкой,
удаляют модельную массу (вымывают горячей водой или выплавля-
ют) и прокаливают при высокой температуре, с тем, чтобы превра-
тить силикатное покрытие в прочную керамическую оболочку. Мес-
то, занятое ранее моделью, образует полость, в которую и заливают
расплавленный металл заготовки.
При изготовлении пустотелой отливки внутрь литейной формы
помещают керамический стержень, образующий внутреннюю полость
охлаждаемой лопатки. Отлитые заготовки лопаток извлекают из
оболочки, удаляют стержень, зачищают и после тщательного контро-
ля подвергают термообработке.
292
Технология изготовления отливок лопаток по выплавляемым
моделям имеет много вариантов как в выполнении основных опера-
ций, так и по составу применяемых модельных и формовочных
материалов.
Рассмотрим технологический процесс изготовления отливок рабо-
чих охлаждаемых лопаток с направленной кристаллизацией.
В технологическом процессе изготовления отливки охлаждаемой
лопатки можно выделить следующие основные этапы.
1.	Изготовление керамического стержня.
2.	Изготовление модели лопатки.
3.	Сборка моделей лопаток в блоки (секции).
4.	Приготовление огнеупорной суспензии, окраска и сушка секции
лопаток.
5.	Удаление модельной массы из оболочек.
6.	Прокалка оболочек.
7.	Плавка металла, заливка оболочек и кристаллизация отливок.
8.	Разрезка секций.
9.	Удаление керамических стержней.
10.	Контроль отливок лопаток.
Изготовление керамических стержней. Стержни для отливок
охлаждаемых лопаток изготавливают из электрокорунда разных
марок (5, 12, 1410, 1420 и др.) с небольшой добавкой пласти-
фикатора ППЭ-10 (5 %) и алюминиевого порошка АСД4-С5 %).
Стержень формируется в специальной пресс-форме под давлением
10... 14-103 Па. Стержень, очищенный от облоя и прилипших частиц
стержневой массы, кладут на 3...5 мин в ванну с теплой водой
(42...52 °C). Подогретый стержень закладывается в драйер и выдер-
живается в нем 3...5 мин. Драйер состоит из двух половинок, имею-
щих профиль спинки и корыта. Затем стержни укладываются в
короба; их уплотняют глиноземом и ставят в электропечь на про-
калку.
После прокалки стержни зачищают, проверяют внешним осмотром
для выявления раковин, трещин, сколов и утяжйн, а также геометри-
ческие размеры и форму каждого стержня.
Очищенные от глинозема стержни пропитывают в растворе лака
КО-815 с выдержкой до прекращения выделения пузырей воздуха и
сушат при температуре 80... 100 °C не менее 3 ч.
Изготовление моделей лопаток. Материалом для приготовления
модельных масс служат парафин, стеарин, канифоль, церезин,
полистирол, пластмассы, битум нефтяной и др. В настоящее время в
основном используется модельная масса, состоящая из карбомида
(мочевины) марки А (ГОСТ 2081—-75); селитры калиевой марок А,
Б, В (ГОСТ 19790—74); силикагеля технического (ГОСТ 3956—76).
293
Модели лопаток формуются в специальных разъемных пресс-формах,
обычно стальных. Размеры рабочей зоны пресс-формы должны учи-
тывать усадку модельного состава и металла отливки при охлажде-
нии. Рабочие поверхности пресс-формы покрываются тонким слоем
смазки (смесь 50 % этилового спирта и 50 % касторового масла).
Стержень вкладывают в матрицу корыта пресс-формы. Собирают
пресс-форму, вакуумируют и прессуют модель лопатки. После зачис-
тки облоя, заусенцев и контроля модели собирают в блоки (секции).
Сборка моделей лопаток в блоки производится в кондукторе, чем
обеспечивается высокая точность взаимного расположения модели
лопатки и литниковой системы.
Пропесс изготовления керамической оболочки состоит из покры-
тия моделей керамической обмазкой, обсыпки электрокорундом и
сушки сначала на воздухе, а затем в аммиачно-газовой среде.
Для приготовления керамической обмазки применяют электроко-
рунд и этилсиликат ЭТС-40 .
Керамическая оболочка в зависимости от размеров лопатки фор-
мируется из 7... 12 последовательно наносимых слоев. Для этого блоки
моделей погружают два-три раза в ванну с керамической обмазкой.
Затем их посыпают электрокорундом для лучшей связи между слоя-
ми и предотвращения растрескивания. Толщина обмазки при этом
составляет 1...1,5 мм. При нанесении первого слоя суспензия удаляет
с поверхности моделей адсорбированный воздух и смачивает повер-
хность блока. При нанесении последних слоев оболочка впитывает
жидкую составляющую суспензии, вследствие чего последняя посте-
пенно густеет, повышается ее вязкость. Последний слой (закрепляю-
щий) наносят без обсыпки зернистым материалом. Это повышет
общую прочность оболочки, предотвращает осыпание поверхностных
зерен при выплавлении моделей. За естественной сушкой блоков в
вытяжном шкафу в течение 2 ч следует ускоренная сушка в течение
40.. .50 мин в аммиачно-газовой среде. Аналогично наносятся осталь-
ные слои.
Контролируют сушку каждого слоя обмазки погружением пробной
модели в гидролизованный этилсиликат, после чего обмазка не
должна отставать и растрескиваться.
Удаление модельной массы из оболочек. Мочевина удаляется из
чаши при давлении воды (1.5...2) • 10 Па и температуре 25...35 °C
в течение не менее 5 мин. Из лопаток мочевина удаляется при
давлении (0,8...1,5)  10 Па и температуре 25...35 °C в проточной
Этилсиликат Si(C2H5O)4 — этиловый эфир ортокремниевой кислоты.
294
воде не менее 10 мин. Оболочка промывается в ванне в 3...5 л под-
кисленной воды в течение 5... 10 мин.
Прокалка оболочек. После выплавления модельной массы формы
сперва сушат, а затем обжигают. Оболочки обжигают в камерных
печах. Загружают оболочки при температуре нагрева не выше
700 °C, затем температура повышается до 1080°C, выдержка 6...
8 ч. Затем оболочки охлаждаются вместе с печью до температуры
800 °C, а далее — по плану.
Плавка металла, заливка оболочек и кристаллизация отливок.
Эта часть технологического процесса изготовления заготовок-отливок
рабочих лопаток турбины выполняется на вакуумной установке
модели УВНК-8П методом высокоскоростной направленной кристал-
лизации. Установка имеет следующие технические характеристики:
мощность установки 486 кВт; емкость тигля 10 кг; скорость верти-
кального перемещения оболочковых форм 0,1...15 мм/мин; макси-
мальная температура кристаллизации 1000 °C. В этих установках
одновременно кристаллизуется до 12 лопаток, общий рабочий цикл
составляет 2 ч, а расчетная производительность установки —-до 114
лопаток в сутки при трехсменной работе. Один плавильщик обслужи-
вает две установки.
Установка состоит из следующих функциональных узлов: пла-
вильной камеры, в которой размещены индукционная плавильная
печь, печь подогрева оболочковых форм и жидкометаллический
кристаллизатор; механизма вертикального перемещения, обеспечива-
ющего подачу блока форм из зоны нагрева и заливки в зону кристал-
лизации; вакуумно-газовой системы для создания рабочей среды в
плавильной и шлюзовой камерах; системы водоохлаждения элемен-
тов и узлов установки; шлюзовой камеры для подачи в плавильную
камеру блока форм под заливку и выгрузки готовых отливок без
нарушения параметров ее среды.
В • настоящее время разработана автоматизированная система
управления технологическим процессом высокоскоростной НК на
этих установках. Для повышения выхода годного литья, а также
уровня и стабильности характеристик механических свойств разрабо-
тана технология высокотемпературной обработки расплава (ВТОР),
которая обеспечивает гомогенизацию расплава перед кристаллизаци-
ей. ВТОР повышает выход годных монокристаллических лопаток на
10... 15 % и существенно улучшает эксплуатационные свойства
деталей.
Металл для отливок плавят в индукционных высокочастотных
печах в условиях вакуума (10“3 мм рт.ст.) при температуре нагрева
295
1560±30 °C. Расплавленный металл заливают в оболочковые формы,
предварительно нагретые до 1100 °C.
Процесс направленной кристаллизации осуществляется путем
постепенного погружения залитых оболочек в ванну жидкого алюми-
ния марки А66 с температурой расплава 670...800 °C (жидкометалли-
ческий рекристаллизатор) со скоростью 20x2 мм/мин.
Закристаллизованные блоки охлаждают на воздухе не менее 4 ч.
Керамику от отливок секции отбивают вручную. Отливки отрезают
от литниковой системы абразивным отрезным кругом толщиной 3...5
мм, обдувают электрокорундом, полируют, осуществляют контроль
на макроструктуру, а на специально отлитых образцах проверяют
химический состав и механические свойства (твердость, сопротивле-
ние растяжению, пластичность, ударную вязкость).
Удаление керамических стержней из отливок производится раство-
рением их в расплаве бифторида калия (ТУ 6-02-1217-81) при темпе-
ратуре нагрева 350...370 °C в течение 1,5...4,5 ч с последующей
тщательной промывкой в воде. Бифторид калия токсичен, поэтому
работа с ним требует соблюдения правил охраны труда.
Контроль отливок лопаток осуществляется прежде всего для
выявления внутренних и внешних дефектов в металле лопаток и для
проверки в отливках полноты удаления остатков стержневой керами-
ки.
Контроль внутренних дефектов в материале каждой отливки
осуществляется рентгеновским методом. Для этого внутреннюю
полость отлнвки заполняют контрастирующим гранулированным
порошком из сплава ЖС6У, предварительно просушенным при
температуре 150... 180 °C в течение 1,5..,2 ч. Отливки, заполненные
порошком, подвергают также рентгеноконтролю на полноту удаления
стержневой керамики.
После рентгеноконтроля материала перо отливок предварительно
полируют абразивной лентой на станках ЛВП-314, промывают в
5 %-ном водном растворе вертолина (температура 8O...9O °C). Затем
отливки промывают в сетевой воде, после чего перо лопаток
подвергают жидкоабразивной обработке (АЖО) на станке ЭЗ-106.
Длительность цикла на одной позиции 45...60 с. Давление пульпы
3,5* 10 Па. Затем профиль пера промывают сетевой водой и отливки
поступают на окончательный контроль профиля пера и внешних
дефектов материала методом Л ЮМ-10В (открытые трещины, поры
и коррозионные поражения).
Вертолин 74, марка А (ТУ 38-109-60-86).
296
Рис. 16.4. Схема базирования литой охлаждаемой рабочей лопатки с бандажной
полкой при обработке елочного профиля хвостовика:
а — первые технологические базы; б — основные технологические базы
Технологические базы у заготовок отливок охлаждаемых рабо-
чих лопаток турбины. Первичными технологическими базами для
обработки основных базовых поверхностей рабочей лопатки с бан-
дажной полкой являются: установочная база — поверхности крайних
сечений корыта (три опорные точки 7...5); направляющая база —
входная кромка пера (две опорные точки 4, 5) и опорная база на
поверхности бандажной полки со стороны пера (опорная точка 6).
Зажим лопатки в приспособлении по спинке-(рис. 16.4, а).
Основные технологические базы для обработки пера, хвостовика
и бандажной полки приведены на рис. 16.4, б: установочная база —
поверхности хвостовика и бандажной полки (три опорные точки
7...3); направляющая база — боковые поверхности хвостовика и бан-
дажной полки со стороны входной кромки (две опорные точки 4, 5)
и опорная база — поверхность бандажной полки со стороны спинки
(опорная точка 6).
Технологическими базами у литых охлаждаемых рабочих лопаток
без бандажной полки являются: установочная база — поверхности
крайних сечений спинки или корыта (три опорные точки
направляющая база — входная кромка (две опорные точки 4, 5) и
опорная база — поверхность хвостовика со стороны корыта (опорная
точка б).
Основные этапы механической обработки литых рабочих лопаток
приведены ниже в типовом технологическом процессе, разработанном
НИИД.
Типовой технологический процесс механической обработки
лопаток ротора турбины из литых заготовок. Заготовка — литье в
оболочковые фермы с направленной кристаллизацией или с равноос-
297
ной поликристаллической структурой. Материал отливок — литейные
жаропрочные сплавы типа ЖС6У-ВИ, ЖС6К, ВЖЛ12У, ЖС26 и др.
Профиль пера, проточная поверхность полки хвостовика и бандажной
полки, карманы на хвостовике отливаются без припуска на механи-
ческую обработку.
Базами для механической обработки и контроля отливок служат
профиль спинки в крайних сечениях пера, входная кромка и точка
С на проточной поверхности бандажной полки. Схема механической
обработки лигой рабочей лопатки с бандажной полкой в типовом
технологическом процессе представлена основными его этапами с
указанием оборудования, необходимого для их выполнения .
Этапы технологического процесса механической обработки
лопатки турбины
1. Обработка перфорационных отверстий на входной кромке пера
электронно-лучевым '(электронно-лучевая установка типа ТР450-
M150-GTTR) или электроэрозионным методом (электроэрозионный
станок 4Г721М или 4Д722А) (рис. 16.5>.
2. Гидроабразивная обработка.
3.	Шлифование базовых поверхностей на полке хвостовика и
бандажной полке со стороны спинки, корыта, входной и выходной
кромок (плоскошлифовальный станок ЗД722).
4.	Шлифование клина хвостовика (двухшпиндельный полуавтомат
ЛШ-233 или плоскошлифовальный станок ЗД722).
5.	Шлифование (фрезерование) елочного профиля хвостови-
100°±3о'
ка (специальный шлифовальный
станок SS-013L-CD фирмы ”Элб-
Шлифф” или продольно-фрезерный
двухшпиндельныи ДФ-392М).
6.	Шлифование полки, боковых
и торцевых поверхностей хвосто-
вика (плоскошлифовальный станок
ЗГ71М или ЗЕ711В).
Рис. 16.5. Операционный эскиз обработки
перфорационных отверстий на входной
кромке пера лопатки
Литая заготовка лопатки турбины спроектирована в соответствии с ОСТ
1.41793—78 ’’Допуски на размеры и шероховатость литых необрабатываемых поверх-
ностей” и ОСТ 1.41154—72 "Допуски на размеры и припуски на механическую
обработку”.
298
7.	Шлифование поверхностей бандажной полки (плоскошлифо-
вальные станки ЗД722, ЗГ71М, ЗЕ711В).
8.	Шлифование профиля лабиринта бандажной полки и заднего
торца хвостовика (всего комплекта лопатск в технологическом диске,
специальный шлифовальный станок с ЧПУ СШЛП-1).
9.	Стабилизирующий отпуск (вакуумная электропечь фирмы
’’Улвак” (Япония) или СЭВ-5,5/11,5-М1).
10.	Контроль внутренней полости по расходу воды (в.оздуха) через
лопатку.	>
11.	Окончательный контроль. Контроль методом ЛЮМа.
12.	Нанесение жаростойких многокомпонентных покрытий Ni Сг
Al Y -на поверхности пера и полок хвостовика и бандажной (вакуум-
но-плазменная установка модели УЭ175).
13.	Диффузионный отжиг лопаток (вакуумная электропечь фирмы
’’Улвак” или СЭВ-5,5/11,5-М 1).
Заготовки рабочих лопаток турбин из деформируемых сплавов
получают горячей штамповкой, прессованием (выдавливанием),
прокаткой и вальцеванием, стремясь к обеспечению в заготовке
продольной ориентации структуры металла. Наиболее отработанным
методом является горячая штамповка заготовок, которую проводят
обычно на ковочных прессах мощностью 15...50 МН, кривошипных,
фрикционных и гидровинтовых прессах-молотах и открытых или
закрытых штампах. Заготовки штампуют чаще с бандажной полкой
на конце пера и без нее, с облоем и без .облоя, сплошные (неохлаж-
даемые). Отличие способа безоблойной штамповки от обычного
сводится к более жесткому дозированию металла исходной заготовки.
При выборе припуска на механическую обработку рабочих лопа-
ток турбин можно руководствоваться рекомендациями НИИДа: для
лопаток длиной до 200 мм припуск по профилю пера на сторону
л о+0,5	1 г+0,2
составляет 0,8_02 101 и Ь'-0 2 мм для остальных поверхностей
хвостовика и бандажной полки, а для лопаток длиной 200...350 мм
1 а+0,5	~ с+0,5
— соответственно 1,0_0 2 и 2,5 0 2 мм-
Заготовки лопаток турбин с постоянным профилем по длине пера
можно получить методом выдавливания (экструзии). Такой метод
обеспечивает получение заготовок лопаток с минимальными припус-
ками и продольную ориентацию структуры. Выдавливание заготовок
может производиться на стандартном кузнечно-прессовом оборудова-
нии: гидравлических, механических или фрикционных прессах, на,
горизонтально-ковочных машинах и др. Выдавливаемый материал
нагревается до температуры, близкой к верхнему пределу ковочного
интервала. Рекомендуется применять индукционный нагрев. Во
299
избежание разрыва металла у тонких кромок пера в связи с более
быстрым охлаждением в конструкции штампа предусматриваются
’’карманы”, обеспечивающие некоторое утолщение кромок. Излиш-
ний металл, заполняющий карманы, удаляется механической обра-
боткой.
Для получения лопатки с переменным профилем экструдирован-
ную заготовку подвергают холодной прокатке. ВДежду операциями
прокатки заготовки необходимо отжигать для восстановления плас-
тичности и снятия остаточных напряжений.
Технологические базы подразделяют на первичные
(т.е исходные поверхности заготовки лопатки) и основные технологи-
ческие базы. Первичными технологическими базами при обработке
любых лопаток ГТД являются спинка или корыто пера лопатки
(имеющие минимальный припуск или вообще без припуска на меха-
ническую обработку), входная кромка и ряд поверхностей на хвосто-
вике и бандажной полке; они указываются в чертеже заготовки.
Первичные базы используются обычно для обработки основных
технологических баз.
В зависимости от конструкции и размеров лопаток существует
много вариантов основных технологических баз. Наибольший инте-
рес представляют два их них. Для лопаток без бандажных полок
чаще всего используют в качестве основных баз так называемые
’’плоские” базовые поверхности (см. рис. 2.5): установочная база —
плоскость замка со стороны спинки (две опорные точки /, 2) и
поверхность на технологической бобышке (опорная точка 5); направ-
ляющая база — входная кромка или боковая поверхность хвостовика
со стороны выходной (входной) кромки (две опорные точки 4, 5) и
опорная база — отверстие в технологической бобышке (опорная точка
б). Основные базы используются для обработки пера и хвостовика
лопатки.
Для точных штамповок лопаток с бандажными полками, имеющи-
ми припуск по профилю пера до 1 мм на сторону, первичной техно-
логической базой является профиль пера. Относительно профиля
спинки и корыта, обеспечивая равномерное распределение припуска
по профилю пера, накернивают три центровые отверстия (устано-
вочная база): два на торце хвостовика и одно на торце бандажной
полки. Используя эту первичную технологическую базу, обрабатыва-
ют основные базовые поверхности хвостовика и бандажной полки со
стороны спинки и входной кромки. Перо, хвостовик с елочным
профилем замка и бандажная полка обрабатываются от основных
технологических баз. В качестве примера на рис. 16.4, б показана
схема базирования лопатки при фрезеровании (шлифовании) елочно-
го профиля хвостовика. В настоящее время НИИДом разработаны
300
типовые технологические процессы изготовления лопаток ГТД. Их
внедрение с использованием унифицированной оснастки позволяет
значительно сократить сроки подготовки производства новых двигате-
лей, снизить стоимость изготовления технологической оснастки и
трудоемкость производства лопаток, а также повысить качество и
стабильность их изготовления.
Типовой технологический процесс механической обработки
лопаток ротора турбины из деформируемых жаропрочных сплавов.
Лопатки ротора турбины из деформируемых сплавов обычно сплош-
ные (неоохлаждаемые) и с бандажной.полкой. Эти лопатки изготав-
ливают из точных заготовок с уменьшенными припусками по профи-
лю пера под механическую обработку.
Технологический процесс получения точной штамповки лопаток
турбины включает: высадку на горизонтально-ковочных машинах
раздельно хвостовика и бандажной полки; горячую вальцовку на
ковочных вальцах; предварительную штамповку на кривошипных и
винтовых прессах и окончательную штамповку на винтовых прессах.
Для лопаток длиной до 200 мм номинальный припуск по перу
составляет 0,8.Ьр’|; КИМ — примерно 0,25.
Основные этапы типового технологического процесса
механической обработки заготовок турбины
из деформируемых сплавов
1.. Отрезка облоя по контуру лопатки (абразивная, электрохими-
ческая или светолучевая).
2.	Распределение припуска по профилю пера  с помощью авто-
мата распределения припуска (АРП) и накернивание двух точек
на торце хвостовика и одной точки на торце бандажной полки
(рис. L6.6).
3.	Фрезерование (протягивание) и шлифование базовых повер-
хностей хвостовика и бандажной полки со стороны спинки и входной,
кромки и со стороны корыта и выходной кромки (продольно-фрезер-
ный станок 7720, плоскошлифовальный полуавтомат ЗД722).
4.	Фрезерование входной и выходной кромок, поверхностей сопря-
жения пера с хвостовиком и бандажной полкой раздельно со стороны
спинки и корыта (вертикально-фрезерный станок с ЧПУ 6Р13ФЗ или
6М13ГН-1Н).
5.	Шлифование, фрезерование или протягивание клина хвосто-
вика (двухшпиндельный полуавтомат с ЧПУ ЛШ-233, вертикально-
фрезерный станок 6Т12 или горизонтально-протяжный 7Б57 или
СПС-40).
301
Рис. 16.6. Накерниваяие торцев хвостовика
и бандажной полки при распределении
.припуска по профилю пера
6. Электрохимическая обработка
профиля пера, карманов (раздельно
на двухсторонних объемно-копиро-
вальных станках ЭХС-10А или
ЭХС-10Б, ЭКУ-320)*.
7. Фрезерование входной и вы-
ходной кромок, поверхностей сопря-
жения пера с хвостовиком и бан-
дажной полкой со стороны спинки и корыт раздельно (вертикально-
фрезерный станок с ЧПУ 6Р13ФЗ или 6М13ГН-1Н).
8. Шлифование абразивной лентой профиля пера со стороны
спинки и корыта, поверхностей сопряжения пера с хвостовиком и
бандажной полкой: со стороны корыта и спинки раздельно (шлифо-
вально-копировальные полуавтоматы ХШ-185М, ХШ-186, ленточно-
шлифовальный полуавтомат ЗЛШ-41).
9. Полирование пера, кромок, поверхностей сопряжения пера с
хвостовиком и с бандажной полкой со стороны корыта и спинки
(бабка С-86).
10. Травление контроль прижогов и других внешних дефектов
сплава лопаток.
11.	Фрезерование (предварительное и окончательное) или шлифо-
вание елочного профиля хвостовика (фрезерные двухшпиндельный
ДФ-392АС2 и одношпиндельный ДФ-392АС1 полуавтоматы; специ-
альный двухшпиндельный шлифовальный полуавтомат SS-013L-CD
фирмы ”Эльб-шли<ф”).
12.	Фрезерование боковых и торцевых поверхностей, карманов
хвостовика.
13.	Электроимпульсная обработка контура бандажной полки
(электроимпульсный копировально-прошивочный станок 4Б723М).
14.	Шлифование поверхностей бандажной полки (плоскошлифо-
вальный станок ЗД722).
15.	Полирование абразивной лентой или абразивно-жидкостная
обработка (АЖО) профиля пера (ленточно-полировальный виброкон-
тактный полуавтомат ЛВП-4 или специальная установка для АЖО).
16.	Стабилизирующий отпуск (вакуумная электропечь типа
FHV-90GS фирмы ”Улвак” или СЭВ-5,5/11,5-М1).
17.	Контроль ЛЮМа внешних дефектов материала лопаток.
Сопловые лопатки турбины обычно литые, двухзамковые, охлаж-
даемые с перфорацией по перу лопатки.
302
Заготовку-отливку изготавливают точным литьем по выплавляе-
мым моделям. Проточная часть лопатки (перо) отливается без при-
пуска на механическую обработку. Припуск по замкам лопаток
(полки, цапфы) 0,8*0’2-
16.3.	ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
Независимо от различия в конструкции лопаток турбины
их технологические процессы механической обработки можно пред-
ставить следующими схемами: рабочие лопатки турбины из штампо-
ванных заготовок — обработка баз, ЭХО и полирование пера, обра-
ботка хвостовика и бандажной полки; рабочие лопатки турбины из
литых заготовок — обработка хвостовика, перфорационных отвер-
стий на пере, бандажной полки; сопловые лопатки — обработка
поверхностей полок, перфорационных отверстий и выходной кромки.
В технологии производства лопаток ГТД все шире используются
физико-химические методы обработки (ультразвуковые, электрохи-
мические, ионно-плазменные, светолучевые и др.).
Обработка базовых поверхностей. Базовые
плоскости на хвостовике и технологической бобышке фрезеруют,
шлифуют, реже протягивают, обеспечивая точность размеров в
пределах 8... 13 квалитета и шероховатость поверхности Ra = 2,5...
0,63 мкм.
Фрезерование с последующим шлифованием считается основным
методом обработки технологических баз рабочих лопаток турбины.
При обработке стремятся применять наиболее производительные
методы фрезерования: одновременное фрезерование нескольких
деталей набором фрез, непрерывное фрезерование торцевой фрезой
на вертикально-фрезерном станке с круглым столом или на станках
барабанного типа. После фрезерования плоские стороны шлифуют
обычно на карусельных плоскошлифовальных станках. Учитывая
плохую обрабатываемость лезвийным инструментом жаропрочных
лопаточных сплавов, особенно литейных, обработку базовых и других
поверхностей лопатки предпочтительнее производить шлифованием.
Базовые поверхности шлифуют абразивными кругами на обычных
плоскошлифовальных станках. Электроалмазное шлифование совме-
щает электрохимическое (анодное) растворение и механическое
(абразивное) резание, обеспечивает увеличение производительности
обработки и уменьшение износа абразивного круга (вследствие
303
анодного растворения обрабатываемого металла), повышает точность
и снижает шероховатость обрабатываемых поверхностей.
После обработки баз фрезеруют (шлифуют) входные и выходные
кромки и предварительно обрабатывают клин хвостовика, повер-
хность которого используется для токоподвода при ЭХО пера
лопатки.
Обработка елочного замка лопатки. Елоч-
ный замок хвостовика рабочей лопатки турбины обрабатывают в два
этапа: вначале обрабатывают клин (скосы), а затем — елочный
профиль замка.
Клин обрабатывают фрезерованием, протягиванием (редко) и
абразивным и электроалмазным шлифованием.
Клин фрезеруют в две операции: предварительно и окончательно.
Предварительно фрезеруют клин на вертикально-фрезерном станке
торцевой фрезой в два перехода, одновременно обрабатывая несколь-
ко деталей. Окончательно клин фрезеруют на горизонтально-фрезер-
ном станке сборной фасонной фрезой.
Протягивание клина производят одновременной обработкой обеих
его сторон на горизонтально-протяжном станке типа 7А540. Протяги-
вание клина хвостовика не нашло широкого применения в производ-
стве лопаток из-за плохой обрабатываемости жаропрочных сплавов
и низкой стойкости протяжек.
Абразивное и электроалмазное шлифование — наиболее перспек-
тивные методы обработки клина. .Оно осуществляется на плоскошли-
фовальных станках типа ЗД722 или на двухшпиндельных станках
типа ЛШ-233, ЭШЛ-301 и ЭАШЗ-400.
На станке ЛШ-233, двухшпиндельном полуавтомате с ЧПУ для
глубинного шлифования, клин обрабатывается одновременно с двух
сторон, по программе, пористым абразивным кругом из электроко-
рунда ЗП500*25*203/25А 10П ВМ2 12 К5П 40...15 (ТУ2-036-979-86).
Припуск на сторону 1,5 мм. Лопатки устанавливаются в кассету по
две штуки. На станке устанавливаются две кассеты. Клин шлифуется
с применением СОЖ — 1,5-2 % водный раствор эмульсола Аквол-2.
Давление СОЖ, подаваемой в зону обработки, 0,6...0,8 МПа.
Абразивно-электрохимическое шлифование по сравнению с други-
ми видами обработки (фрезерование, шлифование) обладает более
широкими технологическими возможностями: более высокой произво-
дительностью, точностью обработки до 0,02 мм и шероховатостью
обработанной поверхности до Ra - 0,32...0,16 мкм, исключаются
прижоги и трещины. Клин замка шлифуют методом ЭХАШ на
станках ЭШЛ-301 и ЭАШЗ-400, оснащенного системой ЧПУ.
304
Елочный профиль замка обрабатывают фрезерова-
нием, шлифованием, протягиванием (редко) или сочетанием этих
методов обработки.
Фрезерование елочного профиля замка является наиболее простым
способом обработки елочного профиля замка, не требующим специ-
ального оборудования и сложной оснастки, что обусловило его широ-
кое применение на заводах. Обработка ведется фасонной фрезой
(методом копирования) на горизонтально-фрезерном станке типа
ДФ-392АС1. Лопатка устанавливается в кассету, которая закрепляет-
ся в приспособлении, устанавливаемом на столе станка. Операция
выполняется в два перехода: сначала фрезеруют одну сторону профи-
ля замка,‘‘затем кассету с обрабатываемой лопаткой переворачивают
в приспособлении и обрабатывают другую сторону. Преимущество
установки и закрепления лопатки в кассете — простота конструкции
и надежность ее в работе. Недостатки — деформация лопатки и самой
кассеты от усилия зажима, что приводит к снижению точности
обработки; переустановка кассеты утомляет рабочего (ее масса
около 6...8 кг); ограниченные возможности для механизации приспо-
собления.
Фреза — фасонная, конической или цилиндрической формы, из
твердых сплавов ВК6, ВК60М, работает методом попутного фрезеро-
вания.
Более высокая производительность и точность относительного
расположения обеих сторон профиля замка лучше всего может быть
достигнута при одновременной обработке обеих сторон замка на
станках типа ДФ-392АС2 (двухшпиндельный), ГФ-609 и ГФ-643
(четырехшпиндельные).
Профиль замка шлифуют профилированным высокопористым
абразивным кругом на специальных станках. Шлифование — наибо-
лее перспективный метод обработки елочного профиля замка в
лопатках из труднообрабатываемых сплавов. Шлифование елочного
замка профилированным абразивным кругом (рис. 16.7), называемое
еше глубинным шлифованием, обеспечивает более высокую'точность
профиля замка, чем фрезерование; ие требует дорогостоящего режу-
щего инструмента. На этой операции хорошо зарекомендовали себя
специальные шлифовальные станки фирмы ”Эльб-шлиф”, модели
SS-O13L-CD —двухшпиндельные, с горизонтальным расположением
шпинделей, с автоматическим циклом для одновременной обработки
профиля замка с двух сторон у четырех лопаток. Лопатка устанавли-
вается в многоместное приспособление, елочный профиль шлифуется
в три перехода с циклической правкой абразивного круга в процессе
305
Рис. 16.7. Глубинное шлифование елоч-
ного профиля хвостовика лопатки тур-
бины
шлифования алмазным роликом
(алмаз синтетический АС-65Т).
Точность обработки елочного
профиля по шагу зубцов 2...6
мкм, практически нулевое сме-
щение гребенок.
Профиль замка шлифуют
пористыми электрокорундовыми
абразивными кругами 25А 10П
ВМ2 12 К5/П40...15 и 25А 10П
СМ1 12 К5/КФ40...10, СОЖ -
Аквол ЮМ (200 л/мин, 5,0..Л 5,0
МПа). Режим глубинного шли-
фования: первый переход — сни-
мается основная величина припуска отливки по клину замка,
vKp “ 25 м/с, vд = 50 мм/мин; второй переход — припуск на сторону
0,1 мм, vKp = 25...30 м/с и “ 150 мм/мин и третий переход — при-
пуск на сторону 0,05 мм, vKp = 30 м/с, v;( = 200 мм/мин.
Липецкий станкостроительный завод освоил производство отечес-
твенных станков подобного типа: модель ЛШ-220 для шлифования
елочного профиля с одной стороны и модели ЛШ-232, ЛШ-233 и
другие для шлифования замка одновременно с двух сторон.
Протягивание елочного профиля замка, несмотря на его высокую
производительность, не нашло применения в серийном производстве
лопаток из-за налипания стружки на переднюю грань зуба протяжки,
малой стойкости протяжек, трудностей их комплектования и замены
после переточек, высокой стоимости комплекта из 4...6 протяжек.
Сопловые лопатки. Плоскости полок верхнего и ни-
жнего замков литых сопловых лопаток обрабатывают шлифованием
на универсальных и специальных плоскошлифовальных станках.
Лопатки на первых операциях обычно базируются поверхностью
корыта в приспособлениях кассетного типа.
Обработка пера рабочих лопаток ту р б и -
н ы. Перо рабочих лопаток из деформируемых жаропрочных сплавов
сначала подвергается ЭХО, а затем шлифуется и полируется абразив-
ной лентой. В литых лопатках перо шлифуют и полируют или только
полируют. Завершающей обработкой любой рабочей лопатки являет-
ся нанесение жаростойкого покрытия на перо лопатки.
306
ЭХО пера у штампованных лопаток турбины является одним из
наиболее эффективных методов обработки сложнофасонных повер-
хностей деталей (более подробно см. подразд. 14.2). ЭХО обеспечива-
ет точность пера (отклонение профиля спинки и корыта от расчет-
ного) — 0,15...0,3 мм; шероховатость обработанной поверхности Ra =
= 1,25...0,63 мкм; не создает наклепа и остаточных напряжений в
лопатке.
У многих жаропрочных сплавов после ЭХО обнаруживается
растравливание по границам зерен глубиной до 0,03 мм, которое
обычно с увеличением плотности тока уменьшается. Следы растрав-
ливания удаляют последующим шлифованием абразивной лентой и
полированием.
Перо литых лопаток, не имеющих в заготовке припуска на меха-
ническую обработку, чаще всего подвергается только безразмерному
виброабразивному или жидкоабразивному полированию или экстру-
зионному хонингованию для уменьшения шероховатости литой
поверхности пера (см. подразд. 16.7).
Шлифование пера абразивной лентой. Перо лопаток абразивным
кругом не шлифуют. Шлифование абразивным кругом вызывает
прижоги поверхностного слоя и низкую точность профиля пера из-за
неравномерного износа абразивного круга. По этой причине перо
лопаток турбины и компрессора шлифуют абразивной лентой на
копировальных ленточно-шлифовальных станках. Поверхность
спинки и корыта шлифуют одновременно или раздельно.
Шлифование абразивной лентой имеет ряд преимуществ по срав-
нению со шлифованием абразивным кругом. Эластичная абразивная
лента обеспечивает равномерное снятие припуска по всей шлифуемой
фасонной поверхности детали. Скорость ленты не зависит от износа,
в то время как при износе абразивного крута его диаметр уменьшает-
ся, что сказывается на точности и эффективности обработки. Рабочая
поверхность ленты может быть в несколько раз больше рабочей
поверхности круга, что дает возможность повысить производитель-
ность и улучшить условия охлаждения. Шлифование абразивными
лентами с охлаждением минеральным маслом или эмульсией в
большинстве случаев сопровождается возникновением в поверхнос-
тном слое детали сжимающих остаточных напряжений, в то время
как при шлифовании кругами возникают преимущественно растяги-
вающие остаточные напряжения. Кроме того, смена лент легче и
проще смены крута, ленты безопаснее в работе.
Поверхности пера шлифуются лентой методом обкатки с помощью
кулачков-копиров. Обкатка пера лопатки кулачком производится
307
Рис. 16.8. Схема строения абразивной ленты с
электростатическим нанесением зерен:
1 — основа; 2 — уток; 3 ~ клеевая связка; 4 —
абразивные зерна; 5 — "аппрет
либо путем качания детали и кулачка вокруг неподвижной оси, либо
в результате планетарного движения (качания) детали вокруг непод-
вижного кулачка.
Абразивная лента (рис. 16.8) представляет собой тканевую основу
(саржа, диагональ, бязь), на одной стороне которой наклеен абразив,
а другая пропитана аппретом для придания ткани определенной
жесткости. Материал абразивных зерен — электрокорунд. При изго-
товлении водостойких лент применяют для связки синтетические
смолы на основе фенола, различные лаки, жидкое стекло. Наиболь-
шее распространение при шлифовании лопаток получили тонкослой-
ные ленты, у которых толщина слоя в 1,5...2 раза больше поперечни-
ка зерна. Шлифование лентами обеспечивает шероховатость повер-
хности Ra = 1,25...0,32 мкм.
При шлифовании легированных и жаропрочных сталей и сплавов
оптимальная скорость ленты 25 м/с, удельное давление 25...
30 кН/м2. Стойкость абразивной ленты в зависимости от принятых
режимов и условий обработки 2...3 ч. Наиболее интенсивный съем
металла наблюдается в первые 30 мин работы ленты.
Шлифование пера лопаток абразивными лентами осуществляется
двумя методами: раздельным шлифованием поверхностей спинки и
корыта широкой абразивной лентой, одновременным двухсторонним
шлифованием поверхностей пера лопатки узкой абразивной лентой
(ширина ленты 20...50 мм).
Раздельное шлифование широкой абразивной лентой поверхностей
спинки и корыта является более производительным методом. Однако
в связи с большим выделением тепла при шлифовании лентой и
деформациями лопаток при раздельной обработке поверхностей пера
этот метод уступает по точности обработки методу шлифования пера
лопатки узкой абразивной лентой.
Широкой абразивной лентой шлифуют спинку лопаток на станках
ХШ-186М, корыто — на станках типа ХШ-185М, а также на станках
типа 3813Д.
Схема шлифования абразивной лентой спинки пера лопатки на
станке типа ХШ-186 приведена на рис. 16.9. Кассета с лопаткой
закрепляется на столе, установленном на каретке, совершающей
прямолийейное возвратно-поступательное движение. Абразивная
лента огибает неподвижный- копир, имеющий отраженную форму
спинки (корыта) лопатки. При сближении обрабатываемой лопатки
308
Рис. 16.9. Схе$иа шлифования спинки пера рабочей
лопатки турбины:
/ — обрабатываемая лопатка; 2 — стол; 3 — каретка;
4 — движение обкатки; 5 — копир (кулачок); б — абра-
зивная лента; 7 — ведущий шкив; 8 — направляющие
шкивы; 9 — подача СОЖ
с неподвижным кулачком лента врезается в
деталь; начинается процесс шлифования спи-
нки, в ходе которого лопатке сообщается
сложное комбинированное движение, состоя-
щее из возвратно-поступательного движения
каретки и движения обкатки. Подача копира
на обрабатываемую лопатку может быть руч-
ной или автоматической.
Узкими абразивными лентами шлифуют
лопатки компрессора.
Обработка перфорационных отверстий в
пере лопатки. Перфорирование пера охлаждаемых рабочих и сопло-
вых лопаток турбины можно осуществить следующими физико-
химическими методами обработки: электроискровым (электроэрози-
онным), электронно-лучевым, электрохимическим и светолучевым.
Обработка перфорационных отверстий этими методами рассмотрена
в подразд. 14.1, 14.2 и 14.6. Обработка отверстий малого диаметра
(и0,3...0,6 мм) сверлами в труднообрабатываемых жаропрочных 
сплавах неэкономична.
16.4.	ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Основными направлениями повышения ресурса и надеж-
ности работы лопаток турбины технологическими методами являются
нанесение на перо лопатки жаростойких покрытий и ионно-лучевая
обработка (ионная очистка и ионное легирование).
Защитные покрытия на перо лопатки наносятся следующими
методами: диффузионным насыщением различных элементов, элек-
тронно-лучевым осаждением, вакуумио-плазменным напылением,
ионным и лазерным легированием.
Диффузионные покрытия. Для лопаток турбины, работающих при
температуре нагрева до 1000 °C, чаще всего используются алитирова-
ние и хромоалитирование пера лопаток, надежно защищающие перо
от высокотемпературной газовой коррозии в течение 1000 ч и более.
При температуре нагрева более 1000 °C на перо лопатки наносятся
многокомпонентные жаростойкие покрытия.
309
Алитирование (диффузионное насыщение алюминием) осущес-
твляют несколькими способами: в порошковых смесях с активатором,
нанесением суспензии с последующим отжигом в жидких средах.
Алитирование в порошковых смесях проводят в герметичных
контейнерах при температуре 850... 1050 °C в течение 2...6 ч. Толщи-
на алитированного слоя 0,02...0,08 мм; твердость НМ = 550...800 Н;
максимальная концентрация алюминия в поверхностном слое до
30 % (массовых). Порошковая смесь имеет следующий состав: ферро-
алюминий (FeAl, содержащий 70...75 % А1 и 30...25 % Fe) — 98 %
и хлористый аммоний (NH4C1, активатор) — 2 % или порошок
алюминия — 40 %, оксид алюминия (Д12О3 — шамот) — 58 % и
хлористого аммония — 2 %. Режим алитирования — 850 °C, продо-
лжительность 4 ч с последующим старением при этой температуре,
выдержка 35 ч.
Алитирование осуществляется нанесением суспензии (для лопаток
из сплавов ЖС6К, ЖСЗЛС, ВЖЛ12У), состоящей из мелкодиспер-
сного алюминиевого порошка АСД4 (225 г) и органической связки
'(350 мл коллокселина). Диффузионный отжиг — 950 °C, выдержка
- 2...6 ч.
Хромоалитирование (диффузионное насыщение алюминием и
хромом) внутренней полости охлаждаемых рабочих лопаток ТВД
обеспечивает более высокую жаростойкость и механические свойства
покрытия по сравнению с алитированием; осуществляется способом
порошков в вакуумных электропечах типа СЭВ-5,5/11,5-М. Лопатки
заполняются порошковой смесью следующего состава: алюминий
АСД-43 — 9 %, хром в порошке ПХ1М или ПХ1С 41...47 %, оксид
алюминия ГН-1, ГН-2, ГК — остальное. Лопатки укладываются на
поддон. Поддоны через проставки закладываются в муфель, устанав-
ливаемый в электропечь. Режим хромоалитирования — нагрев до
температуры 1050... 1200 °C, выдержка 2...5 ч; давление в вакууме
р = 6,55...13,33 Па. Максимальная концентрация в поверхностном
слое пера: алюминия до 15 %, хрома 8... 10 %. Толщина защитного
покрытия 0,01...0,03 мм.
Жаростойкие диффузионные покрытия, получаемые из газовой
фазы циркуляционным методом. В основе этого метода лежит явле-
ние переноса диффундирующего элемента в замкнутой рабочем
пространстве установки при систематическом восстановлении газа-
переносчика в результате обратимых химических реакций. Особенно
перспективен этот метод при нанесении покрытий на внутреннюю
поверхность охлаждаемых лопаток турбин.
Циркуляционный метод по сравнению с порошковой диффузией
сокращает технологический цикл в 1,5. ..2,5 раза, позволяет наносить
покрытия на детали любой конфигурации, повышает качество покры-
310
тий за счет высокой их сплошности, процесс экологически чист. Этим
методом можно наносить однокомпонентные (AI, Сг и др.) и много-
компонентные (CrAl, AlSi, NiCrAl и др.) покрытия.
Многокомпонентные покрытия (МКП). Одно-двухкомпонентные
защитные покрытия уже не удовлетворяют возрастающим требовани-
ям к лопаткам турбин двигателей четвертого поколения. Для них
используются многокомпонентные покрытия. Основные из них:
NiCrAlY (сплав СДП2: Ni - основа, Сг - 20 %, А! - 13 %, Y —
0,2...0,6 %) и NiCoCrAIY (сплав СДП4: Ni — основа, Со — 6...9 %,
Сг — 14...22 %, AI — 13...15; Y — 0,1...1 %). Эти покрытия на перо
лопатки наносятся электронно-лучевым осаждением и вакуумно-
плазменным напылением.
Электронно-лучевое осаждение МКП основывается на термичес-
ком испарении атомов. Пары металлов или сплайов, осаждаясь на
перо лопатки, образуют покрытие. Для испарения тугоплавких
металлов применяют электронно-лучевой нагрев. Схема рабочей
камеры для нанесения МКП электронно-лучевым методом приведена
на рис. 16.10. Электромагнитными линзами электронный луч направ-
ляется в испарительный тигель (медный водоохлаждаемый цилиндр
6, дном которого служит пруток испаряемого материала). Испаряе-
мый металл осаждается на перо вращающейся лопатки, предвари-
тельно нагретой до 900 °C в вакууме ниже 8,75 • 10"3 Па. Толщина
покрытия 80... 100 мкм, продолжительность напыления 48 лопаток —
2...6 ч. Преимущество этого метода — возможность нанесения покры-
тий, как металлических, так и любого нетокопроводящего материала
(керамики и др.). Для нанесения многокомпонентных и композици-
онных покрытий используются электронно-лучевые установки типа
УЭ175 и УЭ137 (см. рис. 5.5), разработанные в Институте электро-
сварки им. Е.О. Патона.
Вакуумно-плазменное нанесение МКП. Метод основан на явле-
нии электродугового распыления по-
крытия в вакууме. Материал катода
(покрытие) преобразуется в поток пла-
змы. Конденсация вещества осущес-
твляется из пароплазменной фазы.
Процесс испарения, конденсации и
Рис. 16.10. Схема вакуумной камеры электро-
нно-лучевой установки для нанесения покрытий
на лопатки турбины:
/ — электронная пушка; 2 — вакуумная (рабо-
чая) камера; 3 — подогреватель; 4 — лопатка;
5 — пары испаряемого металла; б — водохлажда-
емый тигель; 7 — трубопровод для подачи воды
311
ионной бомбардировйи осуществляется в вакуумной камере, металли-
ческий корпус которой служит анодом. Катод изготавливается из
материала наносимого покрытия. На лопатки подается отрицатель-
ный потенциал. В процессе напыления лопатка вращается вокруг
своей оси и оси катода. Катод имеет вертикальное перемещение,
позволяющее ему равномерно изнашиваться. Одновременно напыля-
ются 24 лопатки. Скорость испарения катода 220 г/ч, ресурс работы
катода без его замены 70... 10 ч. Толщина покрытия на пере — 60...80
мкм. Продолжительность нанесения покрытия 3 ч. Для нанесения
МКП используются вакуумно-плазменные установки типа МАП-1 и
МАП-2.
Схема промышленной установки МАП-1 представлена на
рис. 16.11. Установка состоит из цилиндрической вакуумной камеры
объемом около 0,7 м3 с системой откачки. В камере размещается
цилиндрический катод 1 в виде трубы с внешним диаметром 130 мм,
длиной 340 мм, толщиной стенки 20 мм из материала покрытия.
Соосно с катодом расположен анод 2 диаметром 800 мм из нержавею-
щей стали. В полости охлаждения анода находятся электромагнитная
анодная катушка 11, планетарный механизм вращения покрываемых
деталей 12, имеющий 24 позиции на диаметре 550 мм для установки
обрабатываемых лопаток турбины 7, верхний и нижний экраны 8 и
9 из нержавеющей стали, охватывающие катод с зазором 100 мм друг
от друга по вертикали. На нижнем основании вакуумной камеры, в
промежутке между катодом и планетарным приводом, расположен
механизм для зажигания дугового разряда 14, состоящий из поджига-
ющего электрода и тягового магнита. Катод 1 размещен на водоох-
лаждаемой оправке 3, которая через штангу соединена вне камеры
с приводом, обеспечивающим возвратно-поступательное движение
катода относительно неподвижного электромагнитного фиксатора
катодных пятен вакуумной дуги 4. Фиксатор выполнен в виде трех-
секционной катушки.
Питание вакуумной дуги при работе установки осуществляется от
трехфазного регулируемого выпрямителя типа ВВН-1250. Установка
также снабжена регулируемым источником постоянного тока 10,
подающим отрицательный электрический потенциал на лопатки 7
относительно экрана 9, и источником для питания электромагнитных
катушек.
Установка работает следующим образом. Лопатки турбины, пред-
варительно подготовленные к нанесению защитных покрытий, уста-
Разработана. в конструкторском отделе ВИАМа под научным руководством
С.А. Мубояджяна с участием А.Е. Алабушева и Я.А. Помелова.
312
Рис. 16.11. Схема промышленной установки МАП-1 для ионно-плазменного осажде-
ния защитных покрытий на перо рабочих лопаток турбины:
1 — катод; 2 — анод; 3 — водоохлаждаемая оправка; 4 — электромагнитный фиксатор
катодных пятен вакуумной дуги; 5 — электропривод; 6 — привод; 7 — покрываемая
лопатка; 8 — нижний экран; 9 — верхний экран; 10 — регулируемый источник
постоянного тока; 11 — электромагнитная анодная катушка; 12 — планетарный
механизм вращения покрываемых лопаток; 13 — электропривод механизма вращения
лопаток; 14 — механизм зажигания дуги: 15 — выпрямитель ВВН-1250; 16 — комму-
татор
навливаются в приспособление планетарного механизма. Камера
вакуумируется до остаточного давления не выше 1СГ1 Па. После
включения электроприводов 5 и 13 лопаткам сообщается планетарное
вращение вокруг собственной оси и одновременно вокруг катода 1,
который вместе с оправкой 3 совершает возвратно-поступательное
движение по вертикали со скоростью 0,01 мм/с. С помощью механизм
ма зажигания между катодом 1 и анодом 2 путем кратковременного
пропускания тока между поджигающим электродом и катодом и
размыканием этой цепи возбуждается вакуумный дуговой разряд.
Выпрямитель ВВН-1250 обеспечивает горение разряда при токах
вакуумной дуги до 1000... 1200 А и напряжении 40...45 В. Генерация
плазмы осаждаемого вещества на установке осуществляется в ваку-
умном дуговом разряде с внешней поверхности катода. КаЮд эроди-
рует под действием катодных пятен вакуумной дуги, плотность
теплового потока в которых достигает 1О9...1О10 Вт/м2. Пятна явля-
313
ются источником потоков сильно ионизированной металлической
плазмы, в которых присутствуют твердые и жидкие микрочастицы
материала покрытия. Степень ионизации плазмы и доля в потоке
микрочастиц определяются теплофизическими свойствами материала
катода и условиями горения вакуумной дуги на его поверхности.
Покрытие формируется в процессе конденсации продуктов эрозии
катода на поверхности пера лопатки.
Теплозащитные покрытия на основе керамики. В последнее
время усиливается интерес к использованию керамических теплоза-
щитных покрытий (ТЗП) на основе диоксида циркония с оксидами
иттрия (ZrO2 — Y2O3), церия (ZrO2 — 20СеО2 — КД П-5) и никеля
(ZrO2 — 8Y2O3 — 5NinOra — КПД-4) для рабочих лопаток турбины,
наносимых электронно-лучевым испарением и конденсацией их в
вакууме. Конденсация керамики на подогретую до 850...900 °C
поверхность пера лопатки формирует на ней покрытие с высокой
термостойкостью (повышенным термическим сопротивлением крис-
таллической решетки) и достаточно высокой прочностью сцепления
с поверхностью пера лопатки.
Толщина керамического слоя до 200 мкм. Применение ТЗП
увеличивает ресурс рабочих лопаток турбины в 3...5 раз, уменьшает
расход воздуха на охлаждение лопаток.
Деформационное упрочнение рабочих поверхностей зубцов елоч-
ного профиля замка выполняется на специальной установке (см.
подразд. 5.1) микрошариками диаметром 0,06...0,3 мм из сплавов
ЭП741 или ЭП742. Продолжительность обработки около 3 мин.
Оптимальная степень деформационного упрочнения устанавливается
экспериментально в зависимости от материала лопаток, ресурса и
температуры нагрева хвостовика лопатки в условиях эксплуатации.
Усталостная прочность хвостовика замка лопатки повышается до
20 %.
Ионное легирование пера лопатки — наиболее перспективный
метод повышения жаростойкости (сопротивления газовой высокотем-
пературной коррозии), усталостной прочности, сопротивления эрози-
онному разрушению. Для повышения жаростойкости имплантируются
обычно редкоземельные элементы: лантан, гайний, иттрий и др.
Ионному легированию можно подвергнуть перо лопатки без покры-
тий, но можно произвести ионное облучение до и после нанесения
Разработаны в ВИАМе д-ром техн, наук Ю.А. Тамариным и канд. техн, наук
С.В. Жерздевым.
314
защитного покрытия, существенно повысив этим жаростойкость в
условиях эксплуатации. Ионная очистка пера до нанесения жарос-
тойких покрытий повышает их адгезионные свойства. Описание
процессов и технологической^ оборудования для нанесения защитных
жаростойких покрытий и ионно-лучевой обработки дано в гл. 5.
16.5.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
Улучшение эксплуатационных характеристик ГТД
связано главным образом с повышением температуры газа перед
турбиной. В высокотемпературных двигателях пятого поколения эта
температура достигнет 1400...1500 °C, а в прогнозируемых — 1800 °C.
Возрастает также тенденция замены жаропрочных сплавов кон-
струкционными керамическими материалами, имеющими малую
удельную массу (2,5...3,2 г/см3), способными успешно работать при
высоких нагрузках в условиях термических и химических воздей-
ствий. Поэтому создание рабочих и сопловых лопаток из керамичес-
ких материалов является одним из важных и перспективных направ-
лений дальнейшего совершенствования ГТД.
Наиболее интенсивно работы по применению керамики в ГТД
начали проводиться с 1970...1975 гг. по двум основным направлени-
ям: 1) разработка новых конструктивных решений по лопаткам и
способам их крепления в диске; 2) технология их формирования из
порошковых материалов.
В последние годы с наибольшей интенсивностью развиваются
работы по совершенствованию химической технологии керамики (на
основе карбидов и нитридов), керамики, получаемой реакционным
спеканием составов, содержащих свободный кремний.
Керамические лопатки и диски турбины изготавливают в основном
из высокотемпературных* порошковых композиций на основе нитрида
и карбида кремния (Si3N4 и SiC).
Классификация и технология формообразования рабочих колес
турбины с керамическими лопатками. Классификация выполнена на
основе трех квалификационных признаков: материала диска, кон-
струкционной структуры рабочего колеса н технологии его формооб-
разования.
Рабочие колеса газовых турбин с керамическими лопатками
различают: с керамическими дисками, однородные или комбиниро-
ванные, монолитные и с металлическими дисками составные (неразъ-
емные) и сборные.
Рабочие колеса турбины с керамически-
ми дисками и лопатками. Формообразование керами-
ческого однородного монолитного рабочего колеса турбины осущес-
315
твляется механической обработкой прессованной заготовки с подспе-
канием. Окончательное спекание осуществляется после механической
обработки.
Механическая обработка керамики после прессования и подспека-
ния обеспечивает повышение точности рабочих колес турбины и
является эффективным средством снижения трудоемкости их изготов-
ления, так как механическая обработка спеченной керамики весьма
трудоемка.
Известно много вариантов технологии изготовления из керамики
облопаченного диска и отдельно лопаток турбины. Рассмотрим неко-
торые из них.
Заготовки для рабочих колес с лопатками можно изготовить:
шликерным литьем под давлением или центробежным способом;
центробежным заполнением термопластичной формы с последую-
щим горячим изостатическим прессованием (ГИП);
вакуумно-гидростатическим п рессованием.
Изготовление заготовки рабочего колеса
турбины шликерным ли тьем. Технологический
процесс изготовления облопаченного диска турбины из нитрида
кремния включает шликерное литье порошка кремния под давлени-
ем, подспекание при температуре 1100 °C, механическую обработку
диска и реакционное спекание в атмосфере азота.
Заготовку рабочего колеса турбины можно получить также шли-
керным литьем в металлическую форму из порошков нитрида крем-
ния или карбида кремния. После формования из заготовки удаляют
пластификатор (воск, каучук и др.) нагревом до температуры 300 °C
и более со скоростью не более 10 °C в час и для повышения плотнос-
ти материала производят гидростатическую допрессовку заготовки в
эластичной оболочке под давлением до 500 МПа. Для проведения
механической обработки заготовку подспекают при температуре до
1200 °C. Известно также об успешном применении центробежного
шликерного литья в пористой форме при формировании заготовки
ротора турбины из нитридкремниевой керамики.
Спекание заготовок на основе нитрида кремния производят при
температуре 1720 °C (азот, 30 мин), а на основе карбида кремния
при температуре 2100 °C (аргон, 60 мин).
Спекание однородных монолитных заготовок рабочих колес осу-
ществляют также горячим изостатическим прессованием в стеклян-
ной оболочке. Оболочка образуется из частиц стекла, в засыпку из
*G. Fisher. Ceramic Industry. 1983. V. 121, N 4. P. 29-31.
316
которых помещают заготовку , при нагреве частицы стекла плавятся
и образуют газонепроницаемую оболочку. Горячее изостатическое
прессование в термопластичной оболочке обеспечивает высокую
прочность керамики, достаточно хорошую чистоту поверхности и
получение тонких (0,3 мм) выходных кромок пера лопаток -
Изготовление заготовки облопаченного ротора турбины центро-
бежным заполнением термопластичной формы с последующим
горячим изостатическим прессованием. Этим способом полость
формы заполняется порошком под действием центробежных сил,
возникающих при вращении формы вокруг горизонтальной или
вертикальной оси ротора . Подача порошка из бункера осущес-
твляется через ступицу. Под действием центробежных сил порошок
уплотняется в термопластичной форме. После заполнения формы
порошком, откачки воздуха и ее герметизации осуществляется про-
цесс горячего изостатического прессования.
Изготовление заготовки рабочего колеса турбины вакуумно-
гидростатическим прессованием. Форма для прессования ротора
турбонагнетателя* * * **** состоит из трех различных частей /, 2, 3 с
открытой пористостью, внутри формы размещена непроницаемая
тонкостенная эластичная оболочка
5 (рис. 16.12). Форму вакуумиру-
ют снаружи через штуцера 4, за
счет чего оболочка плотно прижи-
мается к внутренней поверхности
формы, полость 6 заполняется
порошком (без связи и пластифи-
катора) . Затем оболочку гермети-
Рис. 16.12. Вакуумно-гидростатическое
прессование керамического ротора турбо-
нагнетателя
❖
*Пат. 2444523 (Франция). МКИ3 B22F3116.
Metal Progress. 1981. V. 119, N 6. Р. 18—19.
. ***Пат. 423684 (Швеция). МКИ3 В22 3/06,6.09.78, Пат. 1582651 (Англия). НКИ
C7D, i5.03.78.
****Пат. 3328954 (ФРГ). МКИ3, В22 F3/04,11.08.83.
317
зируют, внешнее давление повышают до атмосферного (вакуумное
прессование). Наружную опорную форму удаляют и осуществляют
процесс гидростатического прессования.
Комбинированные монолитные рабочие колеса турбины с кера-
мическими лопатками и диском. Конструктивно такое колесо турби-
ны представляет собой гидростатически спрессованный или горячес-
прессованный диск, соединенный с шликерным лопаточным венцом
или с предварительно изготовленными лопатками.
Лопаточный венец изготавливается литьем под давлением в
пористой форме с последующим реакционным спеканием (после
удаления пластификатора). Лопаточный венец с диском соединяется
горячим прессованием в графитовой форме графитовым пуансоном
под давлением до 500 кг/см27 при температуре 1600... 1800 °C.
Лопатки ротора формируют отдельно шликерным литьем под
давлением в металлической форме с последующим спеканием. Диск
формируют горячим изостатическим прессованием. Затем на повер-
хности контакта лопаток и диска наносят керамическую паст^ и
спеканием при обычном давлении соединяют их в единое целое .
Рабочее колесо турбины с керамическими лопатками и металли-
ческим диском, составное (неразъемное). Металлические диски
турбины могут быть спекаемые или литые.
Спекаемые металлические диски турбины. Лопатки в составном
колесе турбины — керамические, изготовленные горячим прессовани-
ем с последующей механической обработкой . Затем лопатки 1
(рис. 16.13) устанавливаются в керамической форме 2 для спекания
диска. Лопатки имеют хвостовик для прочной связи с диском. Полое
пространство формы заполняется металлическим порошком из жа-
ропрочного дискового сплава (с применением вибрации), форма
нагревается до высокой температуры для спекания металлического
порошка, затем заготовка турбинного колеса подвергается горячему
изостатическому прессованию в среде
аргона. Материал диска достигает
100 % плотности.
Рис. 16.13. Спекание металлического диска с
керамическими лопатками
*Пат. 4127684 (США). НКИ 427-487, 23.12Л7
** ,
Заявка 59—5550 (Япония). МКИ3 СО4В 35/56.
*** _
Пат. 2628582 (ФРГ). МКИ3 В22 F5/04,16.04,81.
318
Литые металлические диски. Рабочие лопатки турбины изготав-
ливаются из нитрида кремния горячим прессованием с последующей
механической обработкой. Диск литой металлический . Для получе-
ния заготовки рабочего колеса турбины вначале все керамические
лопатки собираются в специальной форме так, что полки их хвосто-
виков образуют замкнутое кольцо. Затем в форму заливают металл
для образования заготовки диска. При охлаждении металла хвостови-
ки лопаток подвергаются сжатию.
Сборные рабочие колеса турбины с замковым соединением
керамических лопаток с металлическим диском. Известно несколько
вариантов сборных рабочих колес. Основные из них следующие.
Лопатки с замком типа ’’ласточкин хвост” из нитрида или карбида
кремния в монолитном металлическом диске . На боковых
опорных поверхностях пазов в диске наносятся мелкие канавки и
ребра, образующие деформируемую опору для хвостовиков керами-
ческих лопаток. При работе турбины вершины ребер в пазу диска
сминаются, обеспечивая этим равномерное нагружение замковой
части лопаток, форма ребер в пазах диска может быть различной,
формируются они протягиванием, фрезерованием, накаткой или
химической обработкой.
Для снижения концентрации напряжений в замковом соединении
керамических лопаток 1 с металлическим диском 2 используется
специально созданный упругий слой 3 между пазом диска и замком
лопатки 4 (рис. 16.14). Этот металлический слой наносится на замко-
вую часть лопатки гальваническим методом с	»----1
последующей механической обработкой до тре-	/	i
буемой геометрии и обеспечивает распределение /	|
напряжений на контактных поверхностях . I	1--"'1
Технология изготовления керамических I |
рабочих лопаток турбины. Технологических / I
процессов изготовления керамических рабочих
лопаток турбины много. Рассмотрим сперва
Рис. 16.14. Замковое соединение керамической лопатки с
металлическим диском	* ** ***
*Пат. 1332935 (Англия). НКИ FIT, 28.11.69.
**Пат. 380995 (США). НКИ 416-135. 27.03.73.
***Пат. 4417584 (США). НКИ 416-241, 19.04.82.
319
классификацию их по способу получения заготовок лопаток, а затем
их сущность.
Заготовку керамической рабочей лопатки турбины можно полу-
чить:
шликерным литьем;
гидростатическим прессованием: в эластичной форме, на жестком
основании (со стороны корыта);
вакуумно-гидростатическим прессованием в эластичной оболочке
внутри составной опорной формы с открытой пористостью;
осадкой с гидростатическим подпором (в условиях трехосного
нагружения);
горячим прессованием в графитовой пресс-форме;
горячим прессованием с переформовкой;
горячим гидростатическим прессованием в твердофазовой среде.
Шликерное литье заготовок рабочих ло-
паток турбины. Форму шликерного литья изготовляют из
огнеупорного материала с пористостью до 60 %, усадка которого при
температуре спекания ниже, чем у спекаемой керамики, а темпера-
тура размягчения ниже, чем температура начала спекания (напри-
мер, 1300 °C для нитрида кремния). После заливки шликера и его
сушки заготовки спекают в той же форме .
По технологии, разработанной фирмой ASEA (Швеция), заготовки
лопаток, полученные шликерным литьем, уплотняют горячим изоста-
тическим прессованием в стеклянных контейнерах .
При термопластичном шликерном литье заготовок лопаток из
кремния, их капсулирование и горячее изостатическое прессование
производят после удаления связки и реакционного спекания .
Гидростатическое прессование заготовок
лопаток турбины на жестком основании
матрицы со стороны корыта. Порошок засыпается в
металлическую матрицу 1 с жестким основанием 2 (рис. 16.15),
имеющим профиль лопатки со стороны корыта 3, прессуется пуансо-
ном 4, имеющим профиль лопатки со стороны спинки, с одновремен-
ной вибрацией матрицы и гидростатическим прессованием в эластич-
ной оболочке 5 через эластичный пуансон 6. Заготовка лопатки
’заявка 58—25658 (Япония), МКИ3 С04В 35/00, 19.01.82.
Metal Powder Repon, 1985. V 40. N 3.
***
Ceramic Forum International, 1985. V 62. N 4—5. P. 222—228.
320
Рис. 16.15. Гидростатическое прессо-
вание заготовки рабочей лопатки
турбины на жестком основании
прессуется с припуском 7 со
стороны спинки. После прессо-
вания и подспекания заготов-
ки лопатки при температуре
1100 °C производится ее меха-
ническая обработка со стороны
спинки. Заготовка спекается
под высоким давлением азота при температуре 2000 °C. Дальнейшим
развитием этого способа является усовершенствование формы для
гидростатического прессования. Новшеством является расположение
жесткого основания (вкладыша) 2 с гравюрой (рис. 16.16), отвечаю-
щей профилю пера лопатки со стороны корыта (с учетом усадки при
спекании) в толстостенной эластичной форме 1 с полостью 5 для
засыпки порошка. Вкладыш выполнен с крепежными пазами для
сцепления его с эластичной формой. Полость для формирования
замковой части лопатки образована эластичными вкладышами 3 и 6.
Для герметизации формы предусмотрены пробка 4 с манжетом 7.
Вакуумно-гидростатическое прессован ие
в эластичной оболочке заготовок рабочих
лопаток турбины. Эластичная оболочка расположена
внутри составной опорной формы с открытой пористостью. При
заполнении формы порошком вокруг опорной формы создается
разрежение. После заполнения формы давление выравнивается до
атмосферного, опорная форма сжимается и осуществляется процесс
гидростатического прессования.
Осадка порошковой заготов-
ки с гидростатическим подпо7
ром. Сущность способа заключается в осадке
порошковой заготовки между двумя пуансонами,
один из которых выполнен с гравюрой, отвечаю-
щей профилю пера лопатки со стороны корыта,
с боковым давлением гидростатической поддер-
жки. Происходящие при этом деформации сдвига
Рис. 16.16. Гидростатическое прессование заготовки рабочей
лопатки турбины в форме (матрица)
*А.с. 1363627 (СССР). МКИ4 В22 Г 3/02, 24.04.82.
I I Зак 1398
321
обеспечивают высокую плотность заготовки без спекания. Механи-
ческая обработка производится после подспекания. При окончатель-
ном спекании усадка незначительна. Спекание нитридкремниевой
керамики производят в атмосфере азота под давлением 100...3000 атм
при высокой температуре . Растворенный в керамической массе
заготовки газ удаляется в процессе выдержки при температуре 50...
200 °C ниже температуры преобразования в среде азрта при давлении
до 20 атм. Заготовки лопаток имеют высокую плотность и прочность.
Горячее прессование в графитовой пресс-
форме заготовок рабочих л о п а то к турбины.
Горячее одноосное прессование порошков нитрида кремния произ-
водят под давлением 20..-.40 МПа при температуре 1750 °C в атмос-
фере азота с использованием графитового пресс-инструмента, рабочие
поверхности которого покрывают нитридом бора. Этот способ обеспе-
чивает наиболее высокие значения плотности и прочности на изгиб
— 100 кг/мм2 при температуре до 1300 °C, однако требует значитель-
ного съема материала алмазным инструментом.
Горячее прессование с переформовкой
заготовки лопатки турбины в условиях
неравномерного сжатия . Заготовку лопатки полу-
чают шликерным литьем (пластификатор — водный раствор метил-
целлюлозы) в форме с полостью 1 (рис. 16.17). После удаления
пластификатора заготовку помещают в нагретую графитовую пресс-
форму с пуансоном 2, образующими в сомкнутом состоянии форму
лопатки. Горячее прессование осуществляется под давлением 24 МПа
при температуре 1700 °C в течение 30 мин с последующим охлажде-
нием под давлением. В процесе горячего прессования в условиях
неравномерного сжатия в деформируемой заготовке возникают
касательные напряжения, создающие сдвиговые деформации в мате-
риале заготовки, способствуя лучшему уплотнению материала лопат-
ки и повышению его прочности.
Горячее гидростатическое прессование
заготрвки в твердофазной среде (рис. 16.18).
Горячее прессование заготовки рабочей лопатки турбины осуществля-
ется в засыпке 3 (нитрид бора, графит) в камере 5 (из графита или
*3аявка 58-167477 (Япония). МКИ3 С04В 35/58, 29.03.82.
**Пат. 4126653 (США). НКИ 264-63, 17.03.76.
’* **Пат. 4041123 (США). НКИ 264-332, 22.12.72.
322
Рис. 16.17. Горячее прессование заготовки рабочей лопатки турбины в условиях
неравномерного сжатия
тугоплавкого металла) пуансонами 1 и 4. Нагрев индукционный 7,
камера снабжена теплоизоляцией 8. Труба б предназначена для
контроля температуры радиационным пирометром.
Предварительно сформированную заготовку 2 помещают в камеру
5 в порошковой засыпке 3 и запрессовывают заготовку в этот поро-
шок под давлением ~7 МПа. Затем включают индукционный нагре-
ватель 7. Одновременно с повышением температуры до 1700...1750 °C
(для нитрида кремния до 1600...1700 °C) давление повышают до
28 МПа (максимально до 70 МПа). Выдержка при этих параметрах
1 ч. Данный пропесс позволяет получить высокоплотные заготовки
с большой точностью и с меньшей анизотропией свойств, чем при
прессовании в графитовой матрице.
Керамические лопатки в сопловых аппаратах турбины. Техноло-
гические процессы изготовления керамических сопловых лопаток в
основном такие же, как и для рабочих лопаток турбины.
Наименее трудоемким способом фор-
мирования лопаток соплового аппарата,
турбины является шликерное литье под
давлением.
Применение гидростатического прессо-
вания лопаток соплового аппарата, обес-
печивая равномерную плотность, форми-
рует заготовки лопаток без введения связ-
ки и пластификатора.
Шликерное термопластичное литье
кремния в металлические формы с после-
Рис. 16.18. Горячее гидростатическое прессование
заготовок рабочих лопаток турбины в твердофазной
среде
11*
323
дующим реакционным спеканием снижает пористость и усадку, так
как образование нитрида кремния SigN4 сопровождается увеличением
объема (22 %) и повышает за счет этого" прочность на изгиб до
30...40 кг/мм2. Профиль пера лопатки при этом механически не
обрабатывается.
Рассмотрев различные способы изготовления рабочих колес турби-
ны с керамическими лопатками, можно сделать следующие выводы
и рекомендации.
Наименее трудоемким способом формообразования малоразмерных
рабочих колес турбины, сопловых аппаратов и отдельных рабочих и
сопловых лопаток турбины является шликерное литье под давлением
с последующим реакционным спеканием или горячим изостатическим
прессованием в термопластичной оболочке.
Технологическое использование высоких давлений в процессе
формирования заготовок керамических лопаток турбины является
наиболее перспективным направлением как предварительного форми-
рования заготовок посредством гидростатического прессования (в том
числе и с жестким основанием со стороны корыта), так и окончатель-
ного горячего изостатического прессования (уплотнения) под высоким
давлением газа (реакционным).
Процессы гидростатического прессования лопаток турбины и
соплового аппарата осуществляются без введения связок и пластифи-
каторов и являются основой получения высоких и стабильных про-
чностных характеристик керамических материалов за счет совершен-
ствования процессов спекания и горячего изостатического прессова-
ния.
Наименее трудоемким способом повышения точности размеров
лопаток является гидростатическое прессование заготовок на жестком
основании со стороны корыта (в том числе с возбуждением деформа-
ций сдвига за счет осадки заготовки на жестком основании) с меха-
нической обработкой поверхностей со стороны спинки пера до окон-
чательного спекания.
Наибольшее значение прочности нитридкремниевой керамики
достигнуто главным образом в результате ее горячего прессования.
В связи с этим процесс горячего прессования получил достаточно
широкое применение для формирования рабочих лопаток турбины с
последующей механической обработкой алмазным инструментом.
Однако этот технологический процесс весьма трудоемок.
Альтернативными вариантами являются процессы горячего прессо-
вания в ’’вязкой жидкости” и с переформовкой заготовки с возбужде-
нием деформаций сдвига, позволяющие снизить объем механической
обработки после Спекания.
324
Дальнейшее повышение прочности и вязкости разрушения кера-
мики связывается как с формированием ее структуры (в том числе
и с армирующими элементами в виде нитевидных кристаллов карби-
дов кремния, коротких угольных волокон, покрытых сначала карби-
дом кремния, а затем нитридом кремния и др.), так и устранением
поверхностных дефекте? и остаточных напряжений растяжения в
материале лопатки.
Развитие работ по конструктивному совершенствованию крепле-
ния керамических лопаток турбины и соплового аппарата связано
главным образом со снижением уровня термических напряжений и
концентрации напряжений в замковых соединениях за счет устране-
ния жестких заделок, размещения прокладок из пластичного металла
и контактов в системах "керамика-керамика” и ’’керамика—металл”.
16.6. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И
МАТЕРИАЛЫ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛОПАТОК
Лопатки компрессора являются наиболее массовыми
деталями. На некоторых двигателях их число достигает 1500 шт. и
более.
В зависимости от назначения лопатки компрессора делятся на
рабочие, или лопатки ротора компрессора (рис. 16.19), и лопатки
статора компрессора. Они изготавливаются в основном из алюминие-
вых и титановых сплавов, высоколегированных сталей и жаропроч-
ных сплавов. Длина лопаток на разных двигателях находится в
пределах 15...1000 мм. Основную номенклатуру лопаток компрессора
составляют лопатки длиной от 60 до 150 мм.
Основными конструктивными элементами, влияющими на техно-
логию изготовления лопаток, являются габаритные размеры, наличие
одной или двух полок, формы хвостовика и пера (закрутка), толщина
и значение радиусов скругления кромок и значение радиусов сопря-
жения пера с полкой.
В соответствии с этой классификацией лопатки делятся на груп-
пы, и для них отраслевые технологические институты разрабатывают
типовые технологические процес-
сы, технологическое оборудование
и оснастку.
Рис. 16.19. Лопатки ротора компрессора:
а — с хвостовиком типа ’’ласточкина хвос-
та”; б — с антивибрационной полкой; в —
с шарнирным хвостовиком; г — с кольце-
вым трапециевидным хвостовиком
а) б) 0) г)
325
Рис. 16.20. Основные конструктивные элементы рабочих лопаток компрессора,
определяющие точность их изготовления:
а — перо лопатки; б— хвостовик типа "ласточкина хвоста; в” — кольцевой трапецие-
видный хвостовик; г — шарнирный хвостовик
Технические условия на изготовление лопаток компрессора
Точность изготовления основных элементов лопаток компрессора можно характери-
зовать следующими данными.
Перо лопаток (рис. 16.20, а):
Отклонения профиля спинки ЛПС и корыта Л11к пера
в расчетных сечениях от заданного.................. 0,06—0,40 мм
Отклонение профиля входной ДПВХ и выходной
ДПВЫХ кромок ...................................... 0,03—0,2 мм
Отклонение толщины профиля пера ДСШПХ - ДПС + ДПК
Допуск на угол закрутки пера в поперечных
сечениях Дазак.................................... .	±(12‘—20')
Отклонение ширины хорды профиля пера Дб............ ±(0,2—0,6) мм
Шероховатость пера лопаток...................... = 0,63../),08 'мкм
Хвостовики лопаток-
Типа ’’ласточкина хвоста” (трапециевидные, рис. 16.20, б).
Размеры посадочных поверхностей ...................... 6-й квалитет
Допуск на угол посадочных поверхностей «3	.......... 6О...75°±8'
Шероховатость Ra:
рабочих поверхностей замка ........................... 1,25 мкм
остальных ......................................... 1,25—5,0 мкм
Число типоразмеров.................................... примерно 30
326
Кольцевой трапециевидный хвостовик
(рис. 16.20, в) — разновидность замка типа ’’ласточкина хвоста” у
рабочих лопаток компрессора. При сборке он устанавливается в
кольцевой паз венца диска компрессора. Размеры посадочных повер-
хностей изготавливаются с точностью 6-го квалитета. Допуск на угол
посадочных поверхностей а3 = ПО з(у. Шероховатость рабочих
поверхностей Ra == 1,25 мкм.
Шарнирный (вилочный) замок (рис. 16.20, г).
Отверстие под штифт выполняется по 6-му квалитету. Неперпенди-
кулярность оси этого отверстия относительно базового торца — не
более 0,1 мм на длине 100 мм. Шероховатость поверхности отверстия
под штифт Ra =“ 1,25 мкм, шероховатость остальных поверхностей
замковой части лопатки Ra — 5,0... 1,25 мкм. Проушины серебрят, а
затем наносят специальное шжрытие.
Спрямляющие и сопловые лопатки с цап-
фами. Диаметр цапф обычно задают с допуском по 6...9-му квали-
тету. Непараллельность и неперпендикулярносгь поверхностей полок
и цапф — 0,05...0,1 мм, относительно нижнего замка — не более
0,15 мм. Шероховатость этих поверхностей Ra** 2,50»..0,63 мкм.
Дополнительные условия.. Допуск на массу рабо-
чей лопатки устанавливают до 2...5 % от массы расчетной лопатки.
Для лопаток ротора компрессора устанавливают нижний допустимый
предел частот по первой изгибной форме и выборочно испытывают
на усталость.
Материалы лопаток компрессора должны
обладать хорошими прочностными характеристиками, пластичностью,
а' также высоким сопротивлением коррозии (электрохимической,
солевой, газовой), пылевой эрозии; достаточной жаропрочностью и
жаростойкостью, особенно для лопаток последних ступеней компрес-
сора высокого давления, где температура воздуха достигает 700...
800 °C. При этом материал лопаток должен иметь и хорошие техно-
логические свойства: хорошо обрабатываться резанием, давлением,
обладать свариваемостью.
Лопатки компрессора изготавливают из коррозионно-стойких и
теплостойких хромистых сталей, алюминиевых, титановых и жароп-
рочных сплавов и композиционных материалов.
Для лопаток компрессора, работающих при температуре нагрева
до 550 °C, применяют титановые сплавы: ВТЗ-1, ВТ8М, ВТ9, ВТ18У,
ВТ22, ВТ25У, ВТЗЗ и др. При температуре нагрева лопаток до
600...650 °C используют коррозионно-стойкие и теплостойкие стали
13Х12Н2В2МФА-Ш, 15Х12Н2ВМФАБ-Ш, 15Х16К5Н2ВМФАБ-Ш.
327
Лопатки последних ступеней компрессора, работающие при темпе-
ратуре нагрева 650...800 °C, изготавливают из жаропрочных сплавов
на никелевой основе: ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН45МВТЮБР,
ВЖ105, ХН77ТЮР и др.
Для лопаток при температуре ниже 250...350 °C могут применять-
ся алюминиевые сплавы типа АК4, АК6, ВД-17, стеклопластики,
например, углепластик-стеклопластик, армированный графитовым
волокном (турбовентиляторный двигатель RB-211 английской фирмы
’’Роллс-Ройс”). Фирма "Пратт энд Уитни” (США) в двигателе J79
использовала боропластик. Недостатком стеклопластиков является
низкая эрозионная стойкость, плохое сопротивление удару.
При температуре нагрева лопаток до 400 °C могут быть использо-
ваны металлические композиционные материалы, например, бороа-
люминиевая однонаправленная композиция (при температуре 20 °C
ов - 100...120 Н/мм2, Е « 2,3 • 10 МН, у = 2,65 г/см3) и бороалюми-
ниевая композиция.
Применение композиционных материалов для лопаток компрессо-
ра в настоящее время сдерживается.
Технологичность конструкции лопаток компрессора, изготавливае-
мых из штамповок, определяется их материалом, формой, соотноше-
нием конструктивных элементов и значением допусков на размеры
и форму лопатки.
Конструктору при проектировании лопаток необходимо учитывать
ряд факторов, влияющих на технологичность изготовления заготовок
методами объемного деформирования. Так, с увеличением угла
закрутки пера повышаются нежелательные боковые нагрузки на
инструмент в процессе изготовления, увеличивается коробление
деталей, снижается стойкость штампов, поэтому угол закрутки ие
должен превышать 45°. Следует стремиться к уменьшению соотноше-
ний площадей поперечных сечений хвостовика и пера. С увеличени-
ем указанного соотношения усложняются и становятся более трудо-
емкими операции предварительного фасонирования (перераспределе-
ния объема исходной заготовки между хвостовиком и пером) под
последующую штамповку. Чем больше разница в площадях сечений
хвостовика и пера, тем выше перепад температур в хвостовике и
пере заготовки лопатки при ее охлаждении после горячей штампов-
ки, что ведет к увеличению коробления. В лопатках с антивибраци-
онной полкой следует стремиться к уменьшению высоты и ширины
полки. При горячей штамповке н холодном вальцевании технологич-
ность лопаток, повышается с уменьшением пера и увеличением
толщины кромок.
Унификация и нормализация конструктивных элементов лопаток,
обоснованное назначение допусков на отклонения при их изготовле-
328
нии, выбор материалов лопаток с учетом его обрабатываемости
способствуют повышению технологичности конструкции лопаток и
созданию типовых прогрессивных технологических процессов их
изготовления.
Большое влияние на технологичность конструкции лопаток имеет
также правильное оформление чертежей, которое должно соответ-
ствовать имеющимся в отрасли ОСТам, в которых обобщен опыт
производства лопаток серийных заводов и ОКБ.
Рассмотрим примеры оценки технологичности конструкции неко-
торых лопаток.
Наиболее технологичные беззамковые лопатки с постоянным
профилем и небольшим углом закрутки пера. Точные заготовки для
таких лопаток можно получить штамповкой или вальцеванием из
прессованных или катаных профилей.
Лопатка компрессора с антивибрационной полкой, трактовая
поверхность которой образована параллельными плоскостями, а не
цилиндрической поверхностью, является более технологичной кон-
струкцией, позволяющей использовать высокопроизводительные
методы ее обработки.
16.7. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА
Заготовки лопаток. Лопатки компрессора изготавливают
только из деформируемых теплостойких сталей, алюминиевых,
титановых и жаропрочных сплавов. Заготовками для лопаток являют-
ся штамповки, полученные горячим деформированием на кривошип-
но-шатунных прессах, изотермической штамповкой, высокоскорос-
тной штамповкой, вальцеванием. В последнее время ведутся работы
по изготовлению лопаток из профильной полосы ЭХО.
Штамповка заготовок на кривошипно-шатунных прессах была
наиболее распространена: припуск по перу 0,8...1,5 мм на сторону,
КИМ — 0,15. На смену ей приходят методы получения точных
заготовок с малыми припусками — изотермическая и высокоскорос-
тная штамповка.
Изотермическая штамповка. Температура дефор-
мируемой заготовки, штампа и окружающего их пространства под-
держивается примерно постоянной на протяжении всего цикла обра-
ботки, т.е. процесс деформирования протекает при постоянной темпе-
ратуре в изотермических условиях. Например, изотермическое
штампование заготовок из стали осуществляется при температуре
нагрева 1100±20 °C.
329
Изотермическая штамповка используется для изготовления из
сталей и титановых сплавов точных заготовок лопаток длиной 70...
400 мм с припуском и без припуска на размерную обработку (до
0,05 мм).
Припуск по перу под шлифование 0,2...0,5 мм на сторону. Шеро-
ховатость пера после пескоструйной очистки заготовки Ra — 5...
2,5 мкм:
Заготовку штампуют на специализированных тихоходных гидрав-
лических прессах ПА2634, ПА2638, 2642 и 2646 с усилиями соответ-
ственно 2500, 6300, 16000 и 42000 кН, оснащенных специальными
установками для изотермического деформирования с индукционным
нагревом типа УИДИН и УИС. Заготовка штампуется за 2...3 пере-
хода. Первые два перехода — на гидровинтовых пресс-молотах, по-
следний переход — методом изотермической штамповки.
Исходные заготовки из титановых сплавов покрывают суспензией
стекла для защиты от окисления. Сперва их нагревают в электричес-
кой печи до 920...950 °C, а затем их помещают в УИДИН, где под-
держивается температура 870—890 °C. Процесс штамповки высокоэф-
фективен: КИМ повысился с 0,07...0,14 до 0,28—0,55; трудоемкость
обработки снизилась на 30...40 %; повысилась эксплуатационная
надежность лопаток, улучшились условия труда и экологическая
обстановка.
Высокоскоростная штамповка. Скорость дефор-
мирования этим методом составляет 16...40 м/с. При штамповке на
обычном кузнечно-прессовом оборудовании скорость деформирования
равна 0,1...6 м/с. Основными технологическими преимуществами
высокоскоростной штамповки являются улучшение теплового баланса
штамповок, увеличение инерционных сил, способствующих лучшему
заполнению металлом гравюры штампа; уменьшение контактного
трения и увеличение пластичности металла при больших скоростях
деформаций. Все это обеспечивает изготовление штамповок сложной
формы без облоя, с тонкими кромками, малыми радиусами (г = 0,5...
2,0 мм) и малыми штамповочными уклонами или совсем без них
(1—30°). Припуск по перу 0,2 мм на сторону (крупногабаритные
лопатки) и без припуска на механическую обработку (мелкие и
средние лопатки). Недостатки этого метода — можно штамповать
только однополочные лопатки, повышенный износ штампов.
Штампуют заготовки из сталей и пластичных титановых сплавов
на высокоскоростных молотах (ВСМ) с энергией удара до 5 кН • м
за 1—2 удара (с промежуточным подогревом). Примерные режимы
высокоскоростной штамповки на ВСМ с энергией удара 4 кН  м для
стали 13Х12Н2В2МФА — 1150 °C; с припуском под безразмерное
полирование; титановый сплав ВТ9 — 980 °C. Можно получить
330
заготовку без припуска на механическую обработку. Шероховатость
поверхности заготовки Ra = 5 мкм; КИМ — 0,4.-0,5.
Широкое внедрение этого метода в серийное производство сдержи-
вается из-за нехватки специализированного технологического обору-
дования.
Из приведенного выше материала о заготовках лопаток компрессо-
ра следует, что современный уровень кузнечно-штамповочного
производства, новые технологические процессы объемного деформи-
рования (штамповка на гидровинтовых прессах, изотермическая и
высокоскоростная штамповка, холодное вальцевание) позволяют
получать заготовки лопаток с припусками по перу, исключающие
грубые обдирочные, и черновые операции механической обработки.
Можно изготавливать заготовки с припусками под финишные опера-
ции механической обработки (шлифование, полирование) н без
припуска; при этом припуски на хвостовике лопаток также сущес-
твенно уменьшаются. Припуски и допуски для точных заготовок
лопаток приведены в табл. 16.1.
Заготовки лопаток, изготавливаемых без припуска на размерную
механическую обработку (холодным вальцеванием, изотермической
штамповкой), выполняются с точностью по перу, регламентируемой
чертежом готовой детали.
Технологические базы. Выбор технологических баз существенно
зависит от конструкции лопатки, ее размеров, вида н точности
заготовки. Существует много вариантов технологических баз, исполь-
зуемых в практике. Рассмотрим два их них.
Таблица 16.1
Точность заготовок компрессорных лопаток, полученных
прогрессивными способами объемного деформирования
Площадь проекции пера на плоскость разъема штампа, см2	Припуск по перу на сторону, мм	Допуск на толщи- ну пера, мм	Припуск по хвос- товику, мм
до 50	0,3	+0,6 -0,2	до 1,0
50...75	0,3	+0,6 -0,2	ДО 1,2
v 75... 125	0,4	+0,8 -0,2	до 1,5
125...200	1,0	+1,0 -0,4	до 2,0
200...350	1,5	+1,0 * -1,0	до 2,5
331
Рис. 16.21. Технологические базы для
обработки рабочих лопаток компрессора:
а — лопатка с нормальной жесткостью
(предварительно обработана входная
кромка); б — точная штамповка с малой
жесткостью пера залита в брикет; I —
технологическая база для обработки
замка; II — технологическая база для
обработки-пера
Для рабочих лопаток компрес-
сора длиной до 150 мм с н о р-
мальной жесткостью
технологическими базами для
обработки замка (рис. 16.21, а)
являются: установочная база —
поверхность корыта (опорные
1	2,5	точки7...3), направляющая база
д)	— входная кромка (опорные точ-
ки 4...5) и опорная база — цен-
тровая фаска в технологической бобышке (опорная точка б). Зажим
— по спинке пера.
Технологические базы для обработки пера лопатки: хвостовик
(замок) и центровые фаски на технологической бобышке: установоч-
ная база — торцевая поверхность хвостовика (подошва замка —
опорные точки 7...5); направляющая база — рабочая поверхность
замка (опорные точки 4, 5) и опорная база — центровая фаска на
торце технологической бобышки. Зажим — по рабочей поверхности
замка.
Штамповка лопатки с малой жесткостью.
При обработке технологических баз у точных маложестких лопаток
(с малыми припусками и без припуска по перу на размерную меха-
ническую обработку) ориентацию и закрепление их по перу обеспе-
чивают методом заливки легкоплавкими сплавами. Например, для
обработки замка перо штамповки легкоплавким сплавом (60 %
висмута, 40 % олова) или пластмассой заливают в брикет прямоу-
гольной формы. Температура плавления сплава 80±15.°С. Технологи-
ческими базами для обработки замка являются плоскости брикета
(рис. 16.21, б). После обработки замка штамповку лопатки из брике-
та извлекают расплавлением брикета в масле МС20 при температуре
нагрева 139 °C. Температура воспламенения масла 220 °C. Такой
бескассетныи способ базирования (брикет, капсула) создает предпо-
332
сылки для автоматизации процессов обработки хвостовиков и полок
лопаток.
Основные этапы технологического процесса механической обра-
ботки лопаток компрессора. В качестве примера рассмотрим схемы
типовых технологических процессов изготовления средних и крупно-
габаритных рабочих лопаток компрессора.
Типовой технологический процесс механической обработки
однозамковой рабочей лопатки компрессора (точная
штамповка с припуском по перу 0,2...0,5 мм на сторону,
длина I < 120 мм)
1.	Распределение припуска по перу и заливка заготовки легкоп-
лавким сплавом в брикет.
2.	Протягивание контура хвостовика,
3.	Освобождение заготовки из брикета.
4.	ЭХО и (или) холодное вальцевание пера.
5.	Шлифование входной и выходной кромок одновременно (станки
ШКР-2Б).
6.	Шлифование абразивной лентой и полирование прикомлевого
участка пера (станок ЗЛШ-91, полировальная бабка).
7.	Виброабразивное полирование пера, сопряжения и кромок
{виброустановка ВУД-1000ДМ).
8.	Подрезка пера по длине.
9.	Нанесение на перо лопатки защитных покрытий.
Типовой технологический процесс изготовления
крупногабаритных лопаток компрессора с бандажными
полками (с длиной пера до 600 мм)
Заготовкн-штамповки крупногабаритных лопаток компрессора
изготавливают с припусками на механическую обработку 4...8 мм.
Технология изготовления этих лопаток требует применения дорогос-
тоящего специализированного оборудования, сложной технологичес-
кой оснастки и контрольно-измерительных средств.
Крупногабаритные лопатки компрессора по конструктивной форме
хвостовика различают: лопатки с хвостовиками типа ’’ласточкина
хвоста” и елочного типа.
Технические условия на обработку крупногабаритных
лопаток компрессора
1.	Отклонение профиля пера от расчетного не более ±0,15 мм; на
длине 3...5 мм от входной и выходной кромок отклонение профиля
пера от расчетного не более ±0.8 мм.
333
2.	Смещение профиля пера от номинального положения в направ-
лении оси у не более 0,25 мм.
3.	Угловой разворот профиля пера от номинального положения у
комля относительно оси z не более ±15*.
4.	Отклонение хорды от расчетного значения не более 0,4 мм за
счет выходной кромки.
Основные этапы технологического процесса изготовления
крупногабаритной лопатки компрессора с хвостовиком
типа "ласточкина хвоста" (штамповка с припуском
по перу 4_j мм)
1.	Протягивание хвостовика (горизонтально-протяжной станок
7Б57 или СПС-40) и зацентровка технологической бобышки на конце
пера.
2.	Фрезерование контура бандажной полки раздельно со стороны
корыта н спинки (вертикально-фрезерный станок с ЧПУ 6Р13ФЗ или
6М13ГН-1).
3.	Фрезерование сопряжений пера с хвостовиком и бандажной
полкой (горизонтально-фрезерный станок 6Р83Г или вертикально-
фрезерный с ЧПУ ФП-17).
4.	Фрезерование кромок пера (вертикально-фрезерный с ЧПУ
6Р13ФЗ или 6М13ГН-1).
5.	Электрохимическая обработка пера (установки ЭКУ-25Ш,
ЭХО-2 или АГЭ-4).
6.	Фрезерование кромок пера, контура бандажной полки раздель-
но со стороны спинки и корыта (вертикально-фрезерный станок с
ЧПУ 6Р13ФЗ или 6М12ГН-1).
7.	Шлифование абразивной лентой профиля пера и поверхностей
сопряжения пера с хвостовиком и бандажной полкой раздельно со
стороны спинки и корыта (ленточно-шлифовальный копировальный
станок 4ШСЛ-7 или алмазно-шлифовальный 4ШЭЛ-4; 3 Л Ш-52).
8.	Травление и контроль для выявления прижогов, трещин и
других внешних дефектов металла.
9.	Стабилизирующий отжиг (электропечь УВН-15).
10.	Виброполирование пера, бандажных полок, полок хвостовика
и поверхностей сопряжения {виброустановка типа ВУД-1000ДМ).
11.	Отрезка технологической бобышки (абразивно-отрезной).
12.	Деформационное упрочнение профиля пера и хвостовика.
334
13.	Детонационное напыление или электроискровое покрытие
контактных поверхностей бандажных полок (детонационная установ-
ка типа КМЗ или электроискровая типа ЗПОМ).
14.	Определение частот собственных колебаний лопатки.
15.	Гальваническое серебрение хвостовика.
16.8.	ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА
Базовые поверхности лопаток компрессора фрезеруют и
шлифуют на универсальных металлорежущих станках (горизонталь-
но-, вертикально- и продольно-фрезерных, плоскошлифовальных)
подобно обработке базовых поверхностей у лопаток турбины (см.
подразд. 16.3). Вспомогательная и технологическая база (бобышка на
конце пера) обычно обрабатывается в две операции: сначала фрезе-
руют торец бобышки, а затем зацентровывают его. Торец бобышки
фрезеруют на вертикально-фрезерном или на двухшпиндельном
продольно-фрезерном станке одновременно у двух лопаток. Зацентро-
вывают бобышку по кондуктору на вертикально-сверлильном станке.
Более целесообразно операции фрезерования торца и зацентровки
совместить в одну, выполняя ее на фрезерно-центровальном полуав-
томате. Входная и выходная кромки лопаток в зависимости от угла
закрутки н длины лопатки фрезеруются на копировальных полуавто-
матах ФК-300, К-75, вертикально-фрезерных станках с ЧПУ типа
6Р13ФЗ, СМ13ГН-1. У спрямляющих лопаток с цапфами вначале
фрезеруют торцы цапф, а затем зацентровывают их. Торцы фрезеру-
ют набором из двух фрез на горизонтально-фрезерном станке, а
зацентровывают по кондуктору на вертикально-сверлильных станках.
Цапфы протачивают и шлифуют в центрах. Боковые поверхности
полок фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках набором из
двух фрез. Резьба на цапфах накатывается или фрезеруется на
резьбофрезерных станках.
Обработка замков лопаток компрессора
Замки типа "ласточкина хвоста" (трапециевидные).
Обработку штамповок рабочих лопаток компрессора, имеющих
хвостовик (замок) типа ’’ласточкина хвоста”, обычно начинают с
замка. Замки этого типа у рабочих лопаток компрессора протягива-
ют: вначале обрабатывают фаски 1 (рис. 16.22), затем подошву 2 и
боковые (рабочие) поверхности 3. Сборная протяжка состоит из пяти
335
।	Рис. 16.22. Схема протягивания хвостовика типа ’’ласточ-
Г/ ГЛ.	кина хвоста”
W секций, положение каждой секции можно регу-
лировать в корпусе. При протягивании замков
лопаток из сталей и титановых сплавов приме-
няют следующие режимы: скорость резания 2...5
м/мин, подъем на зуб 0,02...0,05 мм, СОЖ —
эмульсия. Протяжки очищают от стружки чаще всего струей СОЖ
при обратном ходе протяжки.
Замки рабочих лопаток компрессора протягивают на горизонталь-
но-протяжных (типа 7510, 7520), вертикально-протяжных (типа
МП23) и на специализированных горизонтально-протяжных станках
непрерывного действия (типа МП-57, 7Б57, СПС-40). Применение
вертикально-протяжных станков обеспечивает значительную эконо-
мию производственных площадей и необходимые условия для автома-
тизации процесса протягивания замка. Однако психологический
дискомфорт работы станочника на площадке станка, находящейся на
высоте до двух метров, затрудняет использование этих станков для
протягивания хвостовиков в серийном производстве.
Горизонтально-протяжной полуавтомат типа МП-57 имеет пово-
ротный стол на две позиции (рабочую и загрузочную) и устройство,
обеспечивающее непрерывное движение кареток, на которых уста-
новлены блоки протяжек для обработки замка. Замок типа ’’ласточ-
кина хвоста” на этом станке обрабатывается в две установки: сначала
протягивается профиль замка (боковые поверхности, фаски и подо-
шва), а затем — торцы (скосы) н паз. Во время обработки замка на
загрузочной позиции поворотного стола производят снятие и установ-
ку лопаток.
В серийном производстве более выгодно протягивание трапецие-
видных хвостовиков на протяжных автоматах непрерывного действия
типа НПЛ-1 (рис. 16.23), где экономический эффект пропорционален
программному заданию. Скорость протягивания на станках типа
НПЛ-1 составляет 10...30 м/мин. Прн большой производственной
программе хвостовики обрабатывают на автоматических линиях. Из-
за сложности конфигурации лопаток обработку замка и пера на
автоматических линиях пока производят раздельно. При создании
автоматических линий за основу принимают типовые технологичес-
кие процессы обработки лопаток, имеющих геометрическое сходство
(рабочие лопатки компрессора с трапециевидным хвостовиком, ло-
патки статора компрессора с призматическим хвостовиком и т.д.).
Трапециевидные хвостовики, устанавливаемые в кольцевые пазы
диска. Комплект рабочих лопаток одной ступени (примерно 80...90
336

Рис. 16.23. Схема обработки хвостовика рабочей лопатки компрессора на горизон-
тально-протяжном автомате непрерывного действия:
а, б — рабочие ползушки с протяжками; в — холостые ползушки; г — транспортер
шт.), в которых надо обработать кольцевые трапециевидные хвосто-
вики, укладывается в специальное приспособление, ориентируя и
фиксируя каждую лопатку относительно оси замка. Лопатки, уста-
новленные в приспособление, заливаются карбомидом. Этим увеличи-
вается жесткость данной технологической системы при последующей
обработке хвостовиков. Затем приспособление с лопатками устанав-
ливается и закрепляется на планшайбе токарного станка (рис. 16.24)
при допустимом биении поверхностей А и Б до 0,02 мм.
Хвостовики лопаток обрабатывают точением за две установки:
сперва протачивают профиль хвостовика .со стороны входной кромки
пера, затем приспособление с лопатками на планшайбе станка .пере-
закрепляют другой стороной и протачивают профиль хвостовика уже
со стороны выходной кромки пера. Более перспективным является
протягивание этих хвостовиков на стан-
ках автоматах непрерывного действия
типа НПЛ-1.
Шарнирные замки рабочих лопаток
компрессора обрабатываются на обыч-
ном универсальном оборудовании или на
станках с ЧПУ типа агрегатных фрезер-
но-расточной группы. Например, на
станке типа МА655СМ замок лопатки
обрабатывается за три операции.
Рис. 16.24. Схема установки и закрепления рабо-
чей лопатки компрессора в приспособлении для
точения кольцевого трапециевидного хвостовика	Ось замка*
337
Елочные замки стальных лопаток компрессора в основном
обрабатываются протягиванием на горизонтально-протяжных станках
типа 7Б57, СПС-10 и др.
Обработка пера лопаток
Перо лопаток обрабатывают в два этапа: предварительно
и окончательно. В процессе предварительной обработки перо фрезе-
руют, обрабатывают электрохимическими, электроэрозионными
методами или их комбинацией. Окончательная обработка пера осу-
ществляется шлифованием, полированием или холодным вальцевани-
ем. Трудоемкость предварительной обработки зависит от вида и
точности изготовления заготовки. Перо точных заготовок обычно
только вальцуется.
Фрезеруют спинку и корыто раздельно на четырех- и восьми-
шпивдельных копировально-фрезерных станках узкими поперечными
(станки типа 4КФЛ, 8КФЛ) или продольными строчками (станки
типа 4ФПЛ). Раздельное фрезерование спинки и корыта дает воз-
можность подвода дополнительных опор под необрабатываемую
сторону пера для увеличения его жесткости. Недостатком метода
раздельного фрезерования является коробление пера лопатки, кото-
рое возникает при одностороннем, поочередном съеме припуска с
заготовки.
Более производительными и лишенными указанного выше недо-
статка являются копировально-фрезерные полуавтоматы типа ФСЛ-1
и КА-65 для одновременной обработки корыта и спинки, включая
косые участки и у замка рабочих и спрямляющих лопаток компрессо-
ра. ФСЛ-1 — восьмишпиндельный станок, на котором спинка и
корыто фрезеруются продольными строчками одновременно у четы-
рех лопаток длиной до 300 мм с углом закрутки до 30°. КА-65 —
четырехшпиндельный станок, предназначенный для одновременной
обработки спинки и корыта двух больших лопаток длиной до 600 мм
и с углом закрутки до 60°.
Электрохимическая обработка . Исходной заготовкой для ЭХО
является штамповка с предварительно обработанными входной и
выходной кромками пера, базовыми поверхностями со стороны
хвостовика и технологической бобышки. Для подвода электрического
тока к лопатке обрабатывают также клин замка с чистотой повер-
хности не ниже Ra = 2,5... 1,25 мкм. Электрохимическую обработку
Физико-химическая сущность процесса ЭХО изложена б подразд. 14.2.
338
стальных лопаток обычно проводят в проточном электролите (см.
рис. 14.1), чаще всего в 5... 15%-м водном растворе поваренной соли
при плотности тока 15...25 А/см2 и напряжении 10... 15 В. Температу-
ра электролита поддерживается в пределах 20...30 °C, рабочий зазор
0,15...0,3 мм. Обработку одновременно спинки и корыта производят
на станках для ЭХО типа ЭХО-2, АГЭ-2, АГЭ-3, АГЭ-4, ЭКУ-251М.
В отрасли предусматривается внедрение новых образцов лопаточных
электрохимических станков моделей ЭКЛ-100 и ЭКЛ-250 с система-
ми ЧПУ и импульсными источниками питания нового поколения.
ЭХО обеспечивает точность профиля пера 0,15....0,4 мм, шерохова-
тость поверхности пера Ra — 2,50...0,63 мкм. Для лопаток компрессо-
ра из титановых сплавов обычно используют другие режимы и более
сложные электролиты. Для обработки лопаток из титанового сплава
ВТ9 применяют электролит, состоящий из 5%-го водного раствора
NAC1 с добавкой 1...1,2 % NH4C1. Температура электролита 25...
30 °C.
ЭХО широко используется при изготовлении лопаток ГТД. Однако
с появлением таких конкурирующих методов, как вальцовка, изотер-
мическая штамповка, область применения ЭХО в последнее время
несколько сузилась. Существующие методы ЭХО на постоянном токе
позволяют обрабатывать проточную часть лопатки без кромок
и прикомлевых участков лишь предварительно (точность ±0,1...
0,2 мм) с последующей ручной доработкой.
Круговая электрохимическая обработка лопаток компрессора.
фирмой ’’Роллс-Ройс” (Англия) разработаны процесс и оборудо-
вание для ЭХО полного профиля лопатки. Этот процесс назван
’’круговой” ЭХО, так как лопатка устанавливается между двумя
электродами, которые на последнем этапе полностью закрывают перо
лопатки (рис. 16.25). Данный процесс позволяет обрабатывать кроме
проточной части лопатки „еще кромки и прикомлевые участки. Заго-
товка лопатки — калиброванная полоса или точная штамповка Время
обработки лопатки 8 мин. Точность формообразования профиля пера
достигает 0,03 мм на сторону, а шероховатость обработанной повер-
хности лопаток из титановых сплавов Ra = 0,16 мкм.
Электроимпульсную (электроэрозионную) обработку иногда
применяют для обработки малогабаритных лопат’ок. Скорость съема
металла по глубине составляет 5... 10 мкм/с.
Шлифование пера лопатки компрессора. Перо лопатки компрес-
сора шлифуют преимущественно узкими абразивными лентами на
копировально-ленточных станках, обеспечивая шероховатость повер-
Metallworking Production. 1985, Nil.
339
6)
Рис. 16.25. Схема круговой ЭХО пера лопатки компрессора:
а — обработка профиля пера; б — обработка прикомленого участка пера; I — лопатка
(калиброванная полоса); 2 — электроды; 3 — изоляция
хности Ra = 0,63...0,32. Узкой лентой шлифуют двумя способами:
поперечными и продольными строчками. При шлифовании попереч-
ными строчками (круговое шлифование) лопатка быстро вращается
вокруг своей оси и медленно перемещается в продольном направле-
нии (станки типа XIII-12А, ШПЛ-300 и др.). При втором способе
лопатка быстро перемещается вдоль оси относительно ленты и мед-
ленно поворачйвается (подача) после прохождения каждой строчки
(станки типа ЛША-1а, ЛШ-2 и др.)..Производительность шлифова-
ния поперечными строчками выше, чем продольными, и тем значи-
тельнее, чем больше кривизна и угол закрутки профиля пера. Однако
точность и шероховатость обрабатываемой поверхности при шлифова-
нии поперечными строчками хуже из-за больших сил инерции быс-
тровращающейся лопатки, приводящих к ее деформации при обра-
ботке. Припуск на сторону при предварительном шлифовании абра-
зивной лентой на станках типа ЛШ-1 до 0,05...0,2 мм, а при оконча-
тельном шлифовании — до 0,04 мм.
Полирование пера лопатки. Полирование — финишная операция
изготовления всех видов лопаток ГТД, обеспечивающая заданную
шероховатость пера (Ra = 0,63...0,08), минимальные остаточные
напряжения и наклеп. Для отделочной обработки пера лопаток
применяют следующие методы полирования: механическое, абразив-
но-жидкостное (или гидроабразивное), виброабразивное, экструзи-
онное хонингование и электролитическое.
Механическое полирование различают: ручное
и виброконтактное. Ручное полирование осуществляется на полиро-
340
Рис. 16.26. Схема виброконтактного полирования
пера лопаток:
I — абразивная лента; 2 — резиновая кладка
вальных станках (бабках) с использовани-
ем фетровых (войлочных) кругов с накле-
енным абразивным зерном или покрытых
пастой ГОИ.
Более перспективный способ механичес-
кого полирования — виброконтактиое по-
лирование абразивной лентой на ленточно-
копировальных виброконтактных станках
типа ЛВП-4 (лопатки турбин) и ЛВП-3,
ВПЛ-3, ВПЛ-4 (лопатки компрессора)
(рис. 16.26). Полирование осуществляется благодаря сложному
вибрирующему движению лопатки между двумя неподвижными
абразивными лентами, которые прижимаются к перу с помощью
гидравлических тисков и резиновых профильных колодок. Абразив-
ные ленты, сматываемые с бобин, по мере необходимости протягива-
ются специальным устройством подачи. Перо стальных лопаток
-полируют за три перехода абразивными лентами разной зернистости
(ЭБ20, ЭБ8, ЭБ5), а на последнем переходе — пастой ГОИ. Толщина
снимаемого металла при полировании до 0,05 мм.
Абразивно - жидкостное (гидроабразив-
но е) полирование применяют в основном для глянцевания
пера лопаток. Надобность в этом возникает при подготовке пера под
травление до и после люминесцентного контроля, для снятия нагара
и др. Гидроабразивное полирование производят в специальной каме-
ре. На обрабатываемую поверхность под избыточным давлением до
6 • 105 Па направляется струя масла или эмульсии с абразивным
порошком — электрокорундом или карборундом (рис. 16.27). Размер
абразивного зерна 20...120 мкм. Производительность гидроабразивно-
го полирования зависит от скорости подачи струи, величины зерна
и концентрации абразива в жидкости, а также от расстояния сопла
до обрабатываемой поверхности. В процессе полирования каретка с
закрепленными на ней форсунками А к которым подается рабочая
жидкость, совершает возвратно-поступа-
тельные движения относительно пера ло-
патки 2. Угол направления струи 30...600;
сопло располагается на расстоянии 50... 100
мм от обрабатываемой поверхности. Абра-
Рис. 16.27. Схема гидроабразивного полирования
пера лопаток
341

Виброабразивн
Рис. 16.28. Схема виброабразивного полирования
пера лопатки:
1 — вибробункер; 2 — дисбаланс; 3, 5 — пружи-
ны; 4 — рама; б — бак; 7 — насос
зивная жидкость обычно составляется на
25...60 весовых частей абразивного зерна
и 20...32 частей содовой эмульсии. Чис-
тота поверхности после полирования не
более Ra = 0,32 мкм.
ая обработка — механический и
химико-механический процессы сглаживания микронеровностей и
снятия мельчайших частиц металла с обрабатываемой поверхности
абразивом рабочей среды, совершающей колебательные движения.
В вибробункере лопатка и частицы рабочей среды движутся с
различными скоростями. Интенсивность протекания процесса вибро-
абразивной обработки зависит от скорости относительного перемеще-
ния лопаток и частиц рабочей среды, от объема заполнения рабочей
камеры, гранулометрического состава части абразива и их режущих
свойств, силы трения и др. Виброабразивная обработка лопаток
производится с непрерывной подачей раствора, который охлаждает
и смачивает детали и рабочие частицы, удаляет продукт износа и
частицы, рабочей среды с поверхности лопаток. Непрерывная промыв-
ка рабочей среды сохраняет ее режущие свойства.
Установка для виброабразивной обработки (рис. 16.28) состоит из
основания с амортизатором, (/-образной рабочей камеры с закреплен-
ным на ней вибратором (вибробункера), бака-отстойника и системы
подачи жидкости.
В процессе виброабразивной обработки снимаются заусенцы,
оставшиеся после механической обработки, скругляются входная и
выходная кромки и полируется перо лопатки. При этом понижается
шероховатость обработанных поверхностей и создается поверхнос-
тный наклеп малой интенсивности. При виброабразивной обработке
поверхностей с шероховатостью Ra == 1,0...1,25 мкм съем металла
достигает 0,1 мм/ч, а с менее шероховатых — не более 0,01 мм/ч.
Виброабразивная обработка осуществляется в две операции: вибро-
абразивное шлифование, обеспечивающее шероховатость поверхности
до Ra - 1,25...0,63, и виброабразивное полирование с шероховатостью
обработанной поверхности до Ra == 0,32„.0,15 мкм..Для виброабразив-
ного шлифования наполнителем является абразивная крошка высокой
твердости на керамической связке размером 1...3 см3.
Рабочую среду для виброабразивного шлифования первоначально
обкатывают на работающей установке в течение 30...40 мин. Только
после скругления острых кромок абразивного боя среда считается
342
годной к загрузке в иее лопаток. Общий объем загрузки деталей и
наполнителя должен составлять 50...70 % объема рабочей камеры.
Соотношение объемов деталей и твердого наполнителя составляет
0,33...0,35.
Виброабразивное шлифование лопаток компрессора производится
по следующему режиму: амплитуда колебании 4...6 мм, частота
колебаний 25 Гц, продолжительность обработки 2 ч t 1.5 мин.
Виброабразивное полирование производится в рабочей среде,
состоящей из фарфоровых и стеклянных шариков диаметром 10 мм
и деревянных кубиков размером 1 см3. В качестве рабочей жидкости
применяют раствор следующего состава: нитрит натрия — 15 %,
углекислый натрий — 5 %, карбоксиметилцеллюлоза (КМИ) — 25 %,
древесная мука — 20 %, мыльная стружка — 32 %, поверхностно-
активное вещество ОП-7 — 3 %.
Режим виброабразивного полирования состоит в следующем:
амплитуда колебаний 2...3 мм, частота колебаний 33...35 Гц, продо-
лжительность обработки 2 ч ± 15 мин.
Лопатки в рабочую камеру загружают вручную поштучно при
установившемся режиме работы установки, обеспечивая этим равно-
мерное распределение их в объеме рабочей смеси. После окончания
времени обработки лопатки выгружают из камеры также вручную по
мере появления их на поверхности, не останавливая установку до
полной выборки всех лопаток. После этого загружают следующую
партию лопаток. После виброабразивной обработки лопатки промыва-
ются в содовой воде от абразивной пыли.
Экструзионное хонингование целесообразно
использовать прежде всего для обработки внутренней полости пера
охлаждаемых лопаток турбины, оно обеспечивает ей заданную шеро-
ховатость.
Цикл экструзионного хонингования на установке HL35S фирмы
’’Дайнофлоу” заключается в перекачке абразивной пасты через
обрабатываемые поверхности лопатки из нижнего рабочего цилиндра
в верхний и обратно. Лопатка закрепляется в вертикальном положе-
нии в специальном приспособлении, устанавливаемом в установку,
и зажимается с помощью двух силовых цилиндров.
Режим обработки внутренней полости лопатки ротора турби-
ны: время одного цикла — 30 с, число циклов — 10. Снимаемый
припуск за цикл — 5 мкм. Паста удаляется промывкой в водном
растворе эмульгатора. Технологический процесс экологически
чист. Абразивная паста — высокоэластичный полимер с шлифпо-
рошком.
Электролитическое полирование — разно-
видность ЭХО металлов с использованием анодного растворения
343
поверхностного слоя детали (см. подразд. 14.3). Технологический
процесс электрополирования пера лопатки турбины следующий.
Лопатку, подлежащую полированию, тщательно обезжиривают,
устанавливают в специальное приспособление, которое подвешивают
на перекладине (анод) в ванне с электролитом. Электрополирование
лопаток производится в сернофосфорных или сернофосфорнохромо-
вых электролитах по режиму: температура электролита 15...30 °C,
плотность тока 4O...8O А/дм2. Припуск на электрополирование остав-
ляют не более 0,05 мм. Электрополирование лопаток сопровождается
неравномерным съемом металла на поверхности пера (на кромках
больший съем, чем на середине спинки и корыта), что в значитель-
ной мере сдерживает применение его на заводах отрасли.
Холодное вальцевание пера рабочих лопаток ком-
прессора применяют при изготовлении однозамковых и беззамковых
лопаток из сталей, титановых и жаропрочных сплавов. Вальцеванием
окончательно обрабатывают перо заготовки, полученной точной
штамповкой или предварительным фрезерованием, обеспечивающими
необходимую величину и требуемый характер распределения припус-
ка по перу. Физическая сущность процесса холодного вальцевания
состоит в следующем. Заготовка лопатки, изготовленная методом
точной штамповки с окончательно обработанным хвостовиком и
небольшим припуском по перу (0,2...0,5 мм на сторону), подвергает-
ся пластическому деформированию в холодном состоянии в фасонных
калибровочных валках, приобретая окончательную форму, размеры
и закрутку за один или за несколько проходов (рис. 16.29). В процес-
се деформирования происходит объемное перераспределение материа-
ла с увеличением поперечных размеров профильных сечений и
удлинением пера до заданных размеров.
В случае многопроходного вальцевания лопатку подвергают
промежуточному отжигу для снятия наклепа и остаточных напряже-
ний. Число проходов устанавливают в зависимости от величины
припуска и достижимой степени деформации (обжатия) для данного
материала за один проход с учетом жесткости и мощности вальцовоч-
ного стана. Например, допустимая степень деформации заготовки из
стали 13Х12Н2В2МФА за один проход порядка
35 %, для титанового сплава ВТЗ-1 степень
деформации 16...17 %. Скорость вальцевания
определяется экспериментально для каждого
материала лопаток, например, для стали ЭИ961
Рис. 16.29. Схема холодного вальцевания пера рабочей
лопатки компрессора:
1, 2 — рабочие переходы вальцевания; 3, 4 — возврат
валков и захвата в исходное состояние
344
она лежит в пр'еделах 10...20 м/мин, а для стали ЭП866Ш и сплава
ЭП718ИД всего 2,5...5 м/мин. Прсдолжительность цикла однопроход-
ного вальцевания с установкой и снятием заготовки составляет 0,5...
1 мин для лопатки длиной до 100, мм и 1...2 мин при длине 200...
250 мм.
Припуск при вальцевании пера лопатки принимают 0,1...0,3 мм
на сторону. Число проходов 1...4. После последней операции вальце-
вания предусматривается термообработка в аргоне или в вакууме.
Шероховатость поверхности после вальцевания Ra - 0,32...0,08 мкм.
Вальцевание заменяет шлифование, полирование и деформационное
упрочнение поверхностного слоя.
Перо рабочих лопаток вальцуют на специальных установках типа
УДЛ-100-7 (для лопаток длиной до 100 мм).
Процесс холодного вальцевания пера лопатки снижает трудоем-
кость изготовления лопатки на 35...40 %, объем ручных полироваль-
ных работ на 50...55 %, повышает КИМ с 0,2 до 0,35.
В настоящее время ведутся работы по освоению процесса изотер-
мической вальцовки, который позволит более значительно повысить
КИМ, увеличить стабильность процесса холодной вальцовки, улуч-
шить надежность вальцованных лопаток. Для изотермической валь-
цовки используются специальные вальцовочные станы. В процессе
вальцевания заготовки нагреваются до температур деформации
обрабатываемого сплава за счет прохождения электрического тока
через вальцуемую заготовку. Подвод тока осуществляется секторны-
ми штампами, вальцующими лопатку. Нагреву подвергается только
зона деформации, перемещающаяся вдоль вальцуемого пера по мере
поворота секторных штампов.
Технологический процесс изотермической вальцовки расширяет
область применения малопластичных сплавов, снижает усилия де-
формации, повышает точность и стабильность размеров вальцуемых
лопаток.
Лопатки компрессора из композиционных
материалов (КМ)
Использование композиционных материалов в авиадвига-
телестроении снижает массу деталей на 20...50 %, увеличивает КИМ
в 2,5...3 раза, повышает ресурс и надежность, вибрационную и
коррозионную стойкость, ударную вязкость.
Однако темпы внедрения КМ в авиадвигателестроении еще не
достаточны. Максимальный объем КМ, используемых в мировой
практике в двигателях, в настоящее время не превышает 2...5 %. В
345
отечественном авиадвигателестроении начали применяться детали из
КМ. Это корпуса вентилятора, усиленные углепластиком, рабочие и
спрямляющие лопатки первой ступени вентилятора, наружные
стенки двигателя, кок, узел входного направляющего аппарата.
Перспективным технологическим процессом изготовления венти-
ляторных и спрямляющих лопаток компрессора из КМ на металли-
ческой матрице (бороалюминий и боромагний) является жидкофазная
технология. Она снижает трудоемкость, высокотехнологична, исклю-
чает титановые элементы в зоне замка и выход борных волокон на
поверхность лопатки и др. Одним из факторов, сдерживающих ис-
пользование этой технологии для изготовления лопаток из бороалю-
миния, является разупрочнение борных волокон в контакте с распла-
вом алюминия с образованием на поверхности раздела хрупких фаз
боридов алюминия. В настоящее время серийно изготавливаются
волокна бора с покрытием В4С, которое практически исключает
разупрочнение волокон при температурах пропитки.
Перспективно-также применение жидкофазной технологии для
изготовления лопаток из боромагния, так как борные волокна инер-
тны по отношению к расплаву магния. Но пока нет надежных покры-
тий для боромагния, обеспечивающих защиту лопаток в эксплуата-
ции от коррозионных и эрозионных разрушений.
Замена металлических вентиляторных, рабочих и спрямляющих
лопаток на композиционные существенно снижает трудоемкость
изготовления и массу изделия (до 30 %), КИМ повышается до 0,8.
Развитие и внедрение технологии для производства деталей из КМ
предполагает разработку механизированного и автоматизированного
технологического оборудования, разработку технологического процес-
са изготовления высококачественных деталей сложной формы.
16.9.	ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Основными технологическими направлениями повышения
ресурса и надежности работы лопаток компрессора являются: дефор-
мационное упрочнение, нанесение защитных покрытий, ионное
легирование, серебрение рабочей поверхности хвостовика рабочих
лопаток. Физико-химическая сущность этих методов технологическо-
го обеспечения ресурса и надежности работы деталей ГТД рассмотре-
на в гл. 5. Здесь же будет затронута только специфика их примени-
тельно к лопаткам компрессора.
Деформационное упрочнение лопаток. ППД подвергается перо
лопаток из сталей и титановых сплавов, работающих при температур
ре нагрева не более 350...400 °C, т.е. ниже температур, вызывающих
346
релаксационные, а тем более рекристаллизационные процессы в
деформированном поверхностном слое. ППД лопаток на оптимальных
режимах для реальных условий их эксплуатации повышает сопротив-
ление усталости на 15...25 %.
Основные методы деформационного упрочнения пера лопаток:
пневмогццродробеструиный, гидродробеструйный, струйно-механичес-
кий, гидрогалтовка, виброупрочнение, ультразвуковое упрочнение
стальными шариками и упрочнение микрошариками.
Пневмо- и гидродробеструйное упрочне-
ние пера лопатки производят стальными шариками (диаметром
0,5...2,0 мм) с эмульсией или трансформаторным маслом на эжектор-
ных установках (см. рис. 5.1) типа УГП-200 (для лопаток длиной до
200 мм) и УГП-400 (для лопаток длиной до 520 мм). После деформа-
ционного упрочнения шероховатость поверхности возрастает пример-
но с Ra - 0,63...0,08 мкм до Ra == 2,5...0,63 мкм, требуется повторное
виброконтактиое полирование до Ra = 0,63...0,08 мкм.
Гидрогалтовка лопаток (струйно-механическое упрочне-
ние) производится на специальных установках типа ГР П-300, одно-
временно обрабатывающих 20 лопаток стальной дробью ДСЛ Ne 1 в
смеси масел МК-8 (60 %) и МС-20 (40 %). Лопатки крепятся в
кассетах, а кассеты — на диске. В процессе обработки лопатки совер-
шают реверсивно планетарное движение в рабочей смеси: вращаются
вокруг своей оси, находясь в кассетах (относительное движение), и
участвуют в движении при вращении диска. Лопатки вращаются
вначале в одну сторону, а затем в другую. Рабочая смесь в процессе
обработки хорошо перемешивается лопастями и направляется с
определенной скоростью осевым насосом в зону обработки. Шерохо-
ватость поверхности пера лопатки после гидрогалтовки Ra = 0,63...
0,32 мкм.
Виброупрочнение лопаток производят на специальных
установках с инерционным приводом типа ВГМ-5, ВГМ-6, одновре-
менно обрабатывая до 200 лопаток (см. рис. 5.2). Установка состоит
из рабочей камеры, в которой находится приспособление роторного
типа с обрабатываемыми лопатками и рабочая смесь. Рабочая камера
жестко крепится на раме. В процессе обработки приспособление с
лопатками вращается в рабочей смеси, а рабочая камера совершает
колебания в вертикальной плоскости. Раму и рабочую камеру под-
вергают колебаниям при помощи неуравновешенного ротора, в
котором специально создан большой дисбаланс. При вращении ротора
возникают неуравновешенные центробежные силы, создающие вибра-
цию рамы и рабочей камеры. Шероховатость поверхности после
упрочнения Ra - 0,32...0,08 мкм.
347
В процессе упрочнения данным способом возможен расклеп кро-
мок пера. В связи с этим лопатки с кромками радиусом, равным или
более 0,3 мм, должны обрабатываться шариками диаметром 2,5...
3,5 мм, а лопатки с кромками радиусом 0,1...0,2 мм — шариками
диаметром 1,8...2,0 мм. Лопатки, кромки которых имеют радиус
0,15...0,08 мм, должны обрабатываться с применением специальных
экранирующих приспособлений. Резьбы и отверстия, выполненные по
7...9-му квалитету, должны предохраняться.
Ультразвуковое деформационное упроч-
нение лопаток. Лопатки упрочняют на специальных уста-
новках (см. рис. 5.3). Основными узлами установки являются магни-
тострикционный преобразователь типа ПМС-15А-18 с контейнером
(волноводом) и источник питания вибратора (генераторы типа
УЗГ-2-10, УЗГ-1-14). Стенки контейнера совершают колебательное
движение сложной формы. Стальные шарики совершают в основном
колебания в горизонтальной плоскости с различной амплитудой по
высоте.. Ударяясь о поверхность пера, они деформируют поверхнос-
тный слой пера лопатки. Шероховатость пера несколько увеличивает-
ся и составляет Ra = О,63...О,32 мкм.
Процесс упрочнения пера .лопаток имеет следующие основные
параметры: рабочая частота колебаний 16...20 кГц; диаметр стальных
шариков 1...3 мм; число одновременно загружаемых шариков в
полость волновода 200.^.800 шт.; смачивающая жидкость — вода с
антикоррозионными добавками, количество ее 0,12 % рабочего
объема, продолжительность обработки 3...15 мин.
Деформационное упрочнение лопаток
микрошариками. Перо лопаток компрессора упрочняют
микрошариками (диаметром 100...400 мкм) на специальных установ-
ках типа УДМ-3 (см. рис. 5.4). Преимущество данного метода —
возможность деформационного упрочнения лопаток с тонкими кром-
ками пера и малыми радиусами переходов с обеспечением шерохова-
тости поверхности Ra - 0,63...0,15 мкм.
Защитные покрытия для лопаток компрессора. Лопатки компрес-
сора в условиях эксплуатации подвергаются механическим и корро-
зионно-эрозионным воздействием (солевая, электрохимическая и
газовая коррозия; пылевая эрозия). Механические повреждения
(забоины) обычно располагаются в верхней части пера лопаток, а
коррозионно-эрозионные — в прикомлевой, т.е. в зоне максимальных
напряжений. Это снижает усталостную прочность лопаток. Для
защиты от коррозионно-эрозионных повреждений на перо лопатки
наносятся покрытия. Основные методы нанесения покрытии — элек-
тролитическое осаждение, диффузионное насыщение и вакуумно-
плазменное напыление.
348
Электролитическим осаждением на перо стальных лопаток
наносится никель-кадмиевое (Н — Кд) покрытие. Технология нанесе-
ния покрытия состоит в следующем. Перо лопатки после обдувки
электрокорундом никелируется в два этапа (толщиной слоя 9...
12 мкм) и отжигается при температуре 350±10 °C, выдержка 1,5 ч.
Затем осаждается слой кадмия толщиной 1...3 мкм. Покрытие Н — Кд
имеет достаточную коррозионно-эрозионную стойкость до 350 °C.
Диффузионные покрытия . Для стальных лопаток компрессора
применяются два вида диффузионных покрытий: диффузионное
хромоалюминидное X — ДифА и диффузионное алюминидно-силико-
фосфатное (алюминидокерамическое)'’ДифА — СФ.
Технология нанесения хромоалюминидного покрытия X — ДифА
состоит в следующем. На перо лопатки после полирования (Ra ==
= 0,53...0,32 мкм) электролитическим методом осаждается слой хрома
толщиной до '3...7 мкм. Затем в порошковой смеси производится
диффузионное алитирование в герметизированном контейнере при
температуре 490 °C на глубину 8...20 мкм. Концентрация, алюминия
на поверхности пера Сд/ « 60...80 %. Твердость алитированного слоя
НМ = (650...750)103 Н/мм2 Состав порошка для низкотемпературно-
го алитирования: алюминиевый порошок ПА-4 (чистота 99,9 %,
дисперсность 200...400 мкм) — 92...99 % и треххлористый алюминий
(активатор) — 8...1 %.
Технология нанесения алюминидокерамического покрытия ДифА
— СФ состоит в следующем. Производится низкотемпературное
алитирование (при 500 °C) в порошковой смеси. Толщина алюминид-
ного слоя (FeAI3) 8...20 мкм. Затем в водных солевых растворах на
поверхность алитированного слоя наносится последовательно сперва
силикатный слой с последующим диффузионным отжигом при темпе-
ратуре 500 °C, выдержка 10 мин, а затем наносится фосфатный слой,
диффузионный отжиг при температуре 500 °C, выдержка 10 мин.
Толщина силикатно-фосфатной пленки примерно 3 мкм. Твердость
керамической пленки НМ = (1000... 1200) 103 Н/мм2. Замок лопатки
в процессе нанесения покрытия защищают специальным покрытием
из фосфата алюминия, которое затем удаляется промывкой лопаток
в воде.
Наилучшей коррозионно-эрозионной стойкостью обладают алюми-
нидные покрытия X — Диф А и Диф А — СФ. Покрытия Диф А —
СФ более технологичны. Технология их нанесения на стальные
лопатки достаточно проста. Процесс нанесения покрытия X —
Е.Г. Иванов. Покрытия для стальных лопаток компрессора ГТД // Антикоррози-
онные покрытия, Л.: Наука,-1983. С. 148—153.
349
Диф А более трудоемок, при гальваническом хромировании хром
осаждается на кромках пера неравномерно, что снижает усталостную
прочность лопаток.
Плазменные и металлокерамические покрытия для пера лопаток
компрессора- Для стальных лопаток компрессора целесообразно
использовать два вида покрытий: ионно-плазменное покрытие из
нитрида титана и металлокерамические ВП-АФЦ и Н-ВЦ-АФЦ-2 (с
подслоем никеля), АФГ, АСФ и др.
Нитридтитановое покрытые наносится плазменным напылением в
вакууме на перо лопатки, нагретой до 450 °C. Плазменное покрытие
из нитрида титана (толщиной до 20 мкм) обладает более низкой
коррозионной стойкостью и может применяться до рабочих темпера-
тур 350 °C. Для нанесения этого покрытия требуется более высокая
чистота поверхности пера и дорогостоящее технологическое оборудо-
вание.
Технология нанесения металлокерамического покрытия ВП-АФЦ.
На перо лопатки, обдутое электрокорундом, наносится суспензия
порошков оксидов в растворе хроматно-фосфатного •связующего с
последующей сушкой при температуре 350 °C в течение 30 мин.
Технология нанесения металлокерамического покрытия с подслоем
никеля Н-ВП-ВФЦ-2. Производится гальваническое никелирование
пера лопатки (обдутого электрокорундом) на толщину 9... 12 мкм, а
затем — отжиг при температуре 350 °C, выдержка 1 ч, а далее подо-
бно нанесению покрытия ВП-АФЦ.
Металлокерамические покрытия из-за большой толщины (80...
100 мкм) целесообразно применять для крупногабаритных лопаток.
Покрытие ВП-АФЦ по сравнению с другими более технологично:
процесс его напыления на перо лопатки менее трудоемок, чем нане-
сение покрытия гальваническим способом и алитированием. Покры-
тие обладает достаточной коррозионно-эрозионной стойкостью до
температуры 400 °C. Однако неравномерность напыления и сравни-
тельно низкая эрозионная стойкость приводят к выветриванию его с
лопаток в условиях эксплуатации. Места выветривания подвергаются
коррозионным повреждениям, так же как и лопатки без нокрытия.
Гальваническое никелирование пера лопатки перед напылением
(покрытие Н-ВП-ВФЦ-2) расширяет температурные границы приме-
няемости металлокерамических покрытий до 450 °C. Однако при этом
трудоемкость процесса нанесения покрытия существенно увеличива-
ется, а при выветрировании его верхнего слоя процессы коррозии
происходят интенсивнее, что практически сводит на нет преимущес-
тва Н-ВП-АФЦ-2 перед покрытием ВП-АФЦ и Н - Кд.
Ионное легирование. Наиболее перспективным направлением для
улучшения эксплуатационных свойств лопаток компрессора является
350
ионное легирование. Ионное легирование изменяет физико-химичес-
кое состояние поверхностного слоя материала лопаток, обеспечивая
этим повышение -эксплуатационных свойств деталей. Исследования
показали, что коррозионно-эрозионные свойства лопаток из стали
ЭП866Ш и никелевого сплава ЭП719ИД можно существенно повы-
сить ионным легированием азотом. Ионная имплантация бора или
азота в лопатки из тйтановых сплавов ВТ9, ВТ18У, ВТ25У повышает
сопротивление усталости на 15...25 % при температуре нагрева 450
и 500 °C. Заметно возрастает сопротивление солевой коррозии лопа-
ток из сплава ВТ9 после ионного легирования такими элементами,
как бор, палладий, лантан. Внедрение ионного легирования лопаток
в серийное производство сдерживается отсутствием технологического
оборудования.
16.10.	ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЛОПАТОК ГТД
Лопатки проверяют как в процессе механической обра-
ботки, так и после ее окончания. Контроль лопаток включает в себя:
выявление внешних и внутренних дефектов материала; проверку
шероховатости обрабатываемых поверхностей в соответствии с требо-
ваниями чертежа; проверку размеров, формы профилей пера (спин-
ки, корыта) и замков и их взаимного расположения; определение
массы и частоты собственных колебаний лопаток; выборочные испы-
тания рабочих лопаток турбины и компрессора на усталость. В
пустотелых охлаждаемых рабочих лопатках ТВД проверяют расход
воды через внутреннюю полость (испытания лопаток на пролив).
Выявление дефектов материала. Контроль внешних и внутренних
дефектов материала лопаток позволяет выявить трещины и волосови-
ны на поверхности, раковины, пористость, расслоения, инородные
включения и флокены в материале. Для этой цели применяют трав-
ление, цветную дефектоскопию, люминесцентный, магнитный и
ультразвуковой методы контроля.
Магнитопорошковый метод основан на притяжении частиц
порошка железа (или его окислов) к магнитным полюсам, образую-
щимся у намагниченной детали в местах нарушения сплошности.
Осевший порошок делает невидимые до этого дефекты хорошо види-
мыми невооруженным глазом. По характеру оседания порошка
можно определить не только место расположения дефекта, но также
их примерные размеры.
Для осуществления магнитопорошкового контроля необходимы
специальные аппараты (магнитные дефектоскопы типа УМДЭ-2500),
в комплект которых входят приспособления для намагничивания
контролируемых лопаток (соленоид или электромагнит), устройство
351
для опыления порошком или полива жидкостью, в которой находится
во взвешенном состоянии железный порошок, а также приспособле-
ние для размагничивания лопаток после контроля. Магнитопорошко-
вым методом выявляются трещины с шириной раскрытия 0,001 мм
и более, глубиной 0,01 мм и более. Относительная простота и доволь-
но высокая надежность этого метода способствовали его широкому
внедрению. Этим методом можно контролировать стальные лопатки
компрессора, а также шестерни, валы, оси, силовые сварные рамы и
другие детали из ферромагнитных материалов с относительной
магнитной проницаемостью ие менее 40.
Цветная дефектоскопия. Цветной и люминесцентный методы
контроля (капиллярные методы дефектоскопии) применяются для
выявления дефектов, выходящих на "поверхность детали. Метод
цветной дефектоскопии основан на способности специальной красной
краски проникать в глубь поверхностных дефектов и белой краски
впитывать в себя красную краску из дефекта. После нанесения и
удаления с контролируемой поверхности красной краски часть ее
сохраняется внутри дефекта. При последующем нанесении на очи-
щенную поверхность белой краски последняя впитывает в себя из
дефекта красную краску и, окрашиваясь, выявляет дефект.
Красная краска — смесь анилинового красителя ’’Судан IV” с
растворителем бензолом и трансформаторным маслом. Белая краска
—- Окись цинка (цинковые белила), разведенная в. коллодии, бензоле,
ацетоне.
Метод обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от
0,05 мм и по протяженности от 0,3 мм.
Люминесцентный метод (ЛЮМ-А) основан на способности
некоторых жидкостей светиться при облучении ультрафиолетовым
светом. Контролируемую деталь после тщательной очистки и обезжи-
ривания погружают в ванну с индикаторной жидкостью, легко прони-
кающей в трещины, поры и другие поверхностные несплошности.
Затем деталь промывают, удаляя жидкость только с поверхности,
тогда как полости дефектов остаются заполненными индикаторной
жидкостью. Далее деталь протирается насухо и поверхность ее по-
крывается из пульверизатора проявляющей краской, обладающей
высокой поглощающей способностью. Индикаторная жидкость высту-
пает из дефектных мест на поверхность пленки, образованной прояв-
ляющим составом. Наличие дефектов устанавливают, осматривая
лопатку (деталь) в темном помещении при ультрафиолетовом осве-
щении: трещины и поры обнаруживаются в виде светящихся желто-
зеленым цветам линий и пятен. После контроля деталь промывается
в ацетоне.
352
В качестве люминофора применяют жидкость ЛЖ-6А (ТУ6-09-
1042-84), состоящую из бутилового спирта, эмульгатора (ОП-7) и
химического продукта ЛЖ-6А. Люминофор с поверхности детали
удаляется водой и очищающей жидкостью ОЖ-1 (ТУ6-09-1043-84),
состоящей из этилового спирта и эмульгатора ОП-7. Проявляющей
жидкостью (ТУ6-09-1092-84) служит белая нитроэмаль ’’Экстра”,
разведенная- в смеси коллодия и ацетона.
Люминесцентный метод ЛЮМ-А надежно выявляет выходящие на
поверхность трещины, поры, рыхлоты, окисные пленки, засоры и т.д.
Он обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05
мм и по протяженности от 0,2 мм. Чувствительность метода ЛЮМ-А
несколько выше метода цветной дефектоскопии.
Внутренние дефекты материала лопаток проверяются рентгенов-
ским и ультразвуковым методами.
Рентгеновский (радиографический) метод. Рентгеновский метод
обнаружения дефектов основан на ослаблении рентгеновского излуче-
ния материалом детали, при котором теневое изображение просвечи-
ваемой детали регистрируется на рентгенографической пленке.
Достоинством метода является высокая чувствительность к выявле-
нию в материале детали внутренних пор, раковин, инородных вклю-
чений и др.
Для просвечивания литых лопаток турбины используются пере-
движные кабельные рентгеновские аппараты типа РУП-100-10, РУП-
150-10-1 и др.
Ультразвуковой метод контроля с использованием поверхностных
волн позволяет выявлять поверхностные трещины и металлургичес-
кие дефекты материала. Данный метод применяется обычно для
выявления трещин входной и выходной кромок, реже — на повер-
хности спинки и корыта, возникающих при изготовлении и эксплуа-
тации лопатки.
Метод основан на прозвучивании контролируемого материала
кратковременными импульсами ультразвуковых колебаний, распро-
страняющихся по поверхности лопатки, и улавливании их отражений
(эхо-сигналов) от дефектов.
Контроль кромок пера проводится следующим образом. Контак-
тная поверхность головки ультразвукового дефектоскопа, покрытая
тонким слоем масла, прикладывается к кромке пера у замка лопатки
так, чтобы ультразвуковые волны были направлены к другому концу
пера лопатки. О наличии дефекта судят по форме осциллограммы.
Если при контроле на экране дефектоскопа между начальным и
концевым импульсами нет промежуточных импульсов, то это под-
тверждает отсутствие трещин на контролируемой кромке лопатки.
Появление промежуточных импульсов на экране дефектоскопа будет
12 Зак 1398
353
указывать на наличие препятствий, способных отражать ультразвуко-
вые волны при прозвучивании лопаток вдоль кромки (микрорастрес-
кивание поверхностного слоя, глубокие риски на кромке пера, внут-
ренние дефекты материала и др.).
Шероховатость обработанных поверхностей лопаток проверяется
внешним осмотром путем сравнения с эталоном или непосредствен-
ным измерением шероховатости поверхности профилометром типа
253 или другим прибором.
Контроль геометрических размеров, формы профилей пера и
замка и их взаимного расположения. Операции этого вида техничес-
кого контроля лопаток наиболее трудоемкие. Приборы, применяемые
на этих операциях, можно разделить на две -основные группы; бес-
контактные — оптико-проекционные и контактные — механические,
оптико-механические, пневматические и пневмогидравлические.
Перо лопатки проверяют в расчетных поперечных сечениях
бесконтактными и контактными методами. Одним из бесконтактных
методов контроля является проверка профиля на проекторах, исполь-
зуемая в единичном производстве. У нас они не нашли применения.
При малом масштабе производства профиль пера лопаток иногда
проверяют шаблонами. Отклонение профиля спинки и корыта от
шаблона определяют визуально на просвет или с помощью щупа.
Контроль пера шаблонами малопроизводителен, субъективен и
требует громоздкого шаблонно-измерительного хозяйства.
В серийном производстве использовались механические приборы
с индикаторами часового типа, настраиваемые по эталонной лопатке.
Они просты и удобны в работе, но малопроизводительны.
Многомерные приборы и измерительные машины производитель-
ны. Их можно быстро переналаживать на контроль других лопаток
по эталонной лопатке. Базой для крепления лопатки является замок
или центровые углубления, два из которых имеются на боковых
поверхностях замка и одно — у конца пера. К числу таких приборов
относятся универсальные многомерные оптико-механические при-
боры типа ПОМКЛ для одновременного контроля профиля пера, сме-
щения пера с оси замка, угла закрутки и толщины пера в попереч-
ных сечениях лопатки компрессора (рис. 16.30).
Отклонения от заданного вызывают перемещения контактных
стержней, передающиеся на измерительные стержни и далее на
рычажки с соотношением плеч 5:1. Концы рычажков проектируются
на экран с увеличением 10:1, обеспечивая общее увеличение 50:1. На
экране устанавливаются границы поля допуска, по которым можно
определять пригодность контролируемой лопатки. В зависимости от
погрешности профиля в контролируемом сечении концы рычажков
на экране либо отклоняются по отдельности от базовых прямых (при
354
Рис. 16.30. Схема оптико-механического
прибора ПОМКЛ-4 для контроля профиля
пера лопаток компрессора:
] — лопатка; 2, 3 — контрольный и измерив
тельный стержни; 4 — рычаг; 5 — зеркало;
б — экран
местных погрешностях профиля),
либо все сместятся параллельно
базовым прямым (при смещении
всего сечения), либо расположатся
на одной прямой под углом к базо-
вой линии (при погрешности в угле закрутки). Контроль производит-
ся по точкам с шагом 5 мм. Точность измерения 0,02 мм, производи-
тельность — до 250 лопаток в час.
Основные геометрические параметры замков лопаток турбины и
компрессора обычно проверяются механическими приборами с инди-
каторными часами, настраиваемыми по эталону.
Расход воды через внутреннюю полость пера охлаждаемых лопа-
ток ТВД проверяют на специальной установке. Лопатка устанавлива-
ется в приспособление и проливается водой при избыточном давлении
в 4+0,05 кгс/см2 (0,3 ±0,005 МПа) и температуре 20±5 °C в течение
20 с. Проверяют пропускную способность внутреннего канала у всего
комплекта лопаток данной ступени. Определяют среднее значение
п
расхода воды в комплекте по формуле Рср -	(п — число
i-i
лопаток в данной ступени). Сравнивают среднее значение расхода с
результатом пролива каждой лопатки в комплекте. Различие по
расходу воды у рабочих лопаток в комплекте (разнорасходность)
должна составлять не более 13...15 % от среднего расхода воды в
комплекте лопаток. Вода должна вытекать по всей длине щели в
выходной кромке.
Частоты собственных колебаний рабочих лопаток турбины и
компрессора проверяют на электродинамических вибростендах.
Рабочие лопатки турбины и компрессора взвешивают на весах
типа ВТК-500 с точностью 0,1 г.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Каковы основные конструктивные элементы лопаток ГТД?
2.	Из каких материалов изготавливают лопатки?
3.	Какие виды заготовок лопаток и методы их изготовления используют в отрасли?
4.	Какие поверхности лопаток турбины и компрессора используют в качестве
технологических баз?
5.	Какими методами обрабатывают хвостовики лопаток ротора турбины и компрес-
сора?
12*
355
6.	Как обрабатывают перо лопаток?
7.	Каковы наиболее перспективные технологические методы повышения ресурса
и надежности работы лопаток?
8.	Каковы методы и средства технического контроля лопаток?
глава 17. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КРЫЛЬЧАТОК
17.1. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
И МАТЕРИАЛЫ
Конструкция и классификация крыльчаток. В современ-
ных ГТД наиболее часто используются осевые компрессоры. Центро-
бежные компрессоры в авиационных ГТД встречаются значительно
реже. Основной деталью центробежного компрессора является крыль-
чатка, иногда называемая центробежным колесом.
Конструктивно крыльчатки различают: открытые (заборники),
полузакрытые и закрытые (рис. 17.1). Полузакрытые и закрытые
бывают односторонние и двухсторонние.
Открытые крыльчатки представляют собой ступицу с лопатками
(лопастями) без торцевой стенки (рис. 17.1, а).
Полузакрытые крыльчатки имеют ступицу и диск, к которым
примыкают лопатки (рис, 17.1, б). Отверстия больших крыльчаток
гладкие, а небольших — шлицевые. Лопатки полузакрытых крыльча-
ток бывают прямыми и криволинейными трапецеидального сечения
с постепенным утолщением от периферии к ступице. У небольших
крыльчаток лопатки иногда имеют свою заборную' часть. В большин-
стве современных ГТД применяют полузакрытые крыльчатки.
Закрытые крыльчатки бывают цельными (литые, рис. 17.1, е) и
сборными (паяные, рис. 17.1, г). Отверстия этих крыльчаток обычно
имеют эвольвентные шлицы. Закрытые крыльчатки в авиационных
ГТД применяют редко, что объясняется трудностью их изготовления
и недостаточной прочностью при высоких окружных скоростях
передней стенки, ослабленной входным отверстием.
Соединение крыльчатки центробежного компрессора с валом и
передача крутящего момента от вала турбины к- крыльчатке осущес-
твляется несколькими способами:
креплением вала к крыльчатке с помощью фланцев и шпилек;
соединением эвольвентными шлицами;
креплением крыльчатки с цапфой штифтами; цапфа имеет торце-
вые шлицы для передачи крутящего момента от турбины.
356
Рис. 17.1. Крыльчатки:
а — открытая; б — полузакрытая; в — закрытая литая; г — закрытая паяная
Технические условия, на изготовление крыльчаток
Точность обработки отдельных поверхностей крыльчатки и их
взаимного расположения характеризуется следующими величинами:
Посадочные поверхности (рис. 17-1, поверхности А) и лаби-
ринтные пояски (Д) ..................................... 6...10 квалитеты
Наружный диаметр (поверхность Б) ........... ...........8... 10 квалитеты
Остальные поверхности....................... ........... 11... 12 квалитеты
Допуск на ширину крыльчатки.............................0,2...0,3 мм
Биения наружного диаметра (Б) и торцев (В, Г) относительно
посадочных поверхностей (А) ............................ 0,02...0,05 мм
Непараллельность торцев у двухсторонних крыльчаток ..... 0,02...0,04 мм
Угловое смещение лопаток от номинального положения......5... 10
Биение лабиринтных поясков (Д) относительно посадочных
мест ................................................... 0.02...0.03 мм
357
Шероховатость:
лопаток открытых и полузакрытых крыльчаток ..... Ra 0,16-0,08 мкм
каналов закрытых литых крыльчаток.......................Ra5 мкм
посадочных поверхностей и лабиринтных поясков...........Ra 1о25...0,63 мкм
нерабочих поверхностей..................................Ra 5...2,5 мкм
Торцевые шлицы обрабатываются с точностью:
погрешность окружного шага зубцов ......................... 0,02—0,05 мм
допуск на толщину зубца................................. 8...11 квалитеты
погрешность угла зубцов.....................-•.......... «3 = (40...60°)±10
Крыльчатку (узел) балансируют динамически.
Материалы крыльчаток. Большинство открытых и полузакрытых
крыльчаток изготавливают из алюминиевых деформируемых сплавов
АК4-1, АК6-1, БД-17. Если температура крыльчатки в условиях
эксплуатации больше 250 °C, то крыльчатки изготавливают из
титановых сплавов ВТ-10, ВТ25У. Для закрытых цельных крыльча-
ток применяют литейные.алюминиевые сплавы, а сборно-паяные —
из сталей ЗОХГСА, Х18Н9Т и др.
Технологичность конструкции крыльчаток. Основная особенность
конструкции полузакрытых крыльчаток, чаще встречающихся в
авиационных ГТД, состоит в том, что они образованы большим
числом сложно-фасонных поверхностей, имеющих высокую точность
и чистоту:
лопатки имеют сложный аэродинамический профиль, заданный
точками в системе координат х, у, z;
торцевые шлицы с точностью окружного шага до 0,02...0,05 мм;
внутренние эвольвентные шлицы;
точные наружные и внутренние резьбы;
точность взаимного расположения базовых поверхностей составля-
ет 0,02...0,05 мм.
Для изготовления крыльчаток требуется дорогостоящее специаль-
ное оборудование (пятикоординатные обрабатывающие центры с
системой ЧПУ; специальные станки для глубинного шлифования
торцевых шлицев и др.), режущий инструмент и измерительные
приборы для технического контроля. Все это увеличивает трудоем-
кость и стоимость изготовления крыльчаток, снижая технологичность
их конструкции по сравнению с деталями осевого компрессора.
17.2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЫЛЬЧАТОК
Заготовки открытых и полузакрытых крыльчаток для серийного
производства обычно штампуют в закрытых штампах. Для единично-
го и мелкосерийного производства заготовки получают свободной
ковкой.
358
Форму заготовки штампованной крыльчатки стремятся приблизить
к форме готовой детали, поэтому можно встретить заготовки с углуб-
лениями между лопатками и в центре, где должно быть отверстие.
При малых промежутках между лопатками и их большой высоте,
особенно в открытых крыльчатках, углубления получаются неболь-
шими и вследствие этого припуск на обработку увеличивается.
Группа контроля штамповок чаще первая, реже — вторая. Типичные
формы заготовок крыльчаток показаны на рис. 17.2.
Припуски и допуски на размеры штампованных заготовок из
сталей и алюминиевых сплавов принимаются по нормали (ОСТы):
РТМ 588, ОСТ 1.41187-72.
Заготовки закрытых крыльчаток из алюминиевых сплавов отлива-
ют в земляные формы, в металлический кокиль и в оболочковые
(корковые) формы. Заготовки стальные и из жаропрочных сплавов
отливают по выплавляемым моделям, в оболочковые формы и в
стальные кокили с земляной обмуровкой.
359
6)
Рис. 17.3. Стальной кокиль с земляной обмуровкой:
J — литник; 2 — верхняя часть кокиля; 3 — земляная обмуровка; 4 — верхний
стержень; 5 — нижний стержень; б — нижняя часть кокиля; 7 — центральный
стержень: 8 — пресс-форма
Отливка деталей по выплавляемым моделям обеспечивает получе-
ние наиболее точной и чистой заготовки, однако этот способ дорогос-
тоящий. Поэтому его иногда заменяют более дешевыми способами,
к которым относится и способ отливки в стальные и чугунные кокили
с земляной футеровкой.
Земляная футеровка формируется в каждой половинке кокиля с
помощью пресс-форм на гидравлических прессах. Схема прессования
нижией половинки кокиля показана на рис. 17.3, а.
Большое давление на стальную пресс-форму и ее чистая повер-
хность обеспечивают получение прочной, с чистой и точной повер-
хностью земляной футеровки.
360
После формовки земляная футеровка вместе с кокилем просуши-
вается в печи» а затем со стержнями и литником собирается в литей-
ную форму (рис. 17.3, б).
Так как внутренние полости каналов закрытых крыльчаток меха-
нически не обрабатываются, за исключением зачистки доступных
мест, то эти поверхности должны быть наиболее точными и чистыми.
Эти требования обеспечиваются изготовлением стержней в точных
стержневых ящиках с хромированными и полированными рабочими
поверхностями. Точность расположения стержней обеспечивается
установочными поверхностями (знаками) на стержнях и в кокиле.
Стержни закрепляются в кокиле на. клее.
Припуски и допуски на литые заготовки крыльчаток из стали
указаны в нормали АН-2080.
Механическая обработка крыльчаток делится на три этапа:
черновой, чистовой и окончательный.
На черновом этапе обрабатываются все поверхности крыльчатки
и снимается до 70 % всего припуска. Точность и чистота при этом
низкие, поскольку обработка ведется с большими подачами и глуби-
нами резания.
На чистовом этапе крыльчатки также обрабатываются по всем
поверхностям. Здесь снимаются оставшиеся 30 % припуска. Точность
и шероховатость поверхностей на этом этапе соответствует требова-
ниям чертежа, за исключением поверхностей лопаток и полок между
ними, а у некоторых крыльчаток - и торцевых поверхностей.
На окончательном этапе полируются лопатки, полки, а также
притираются торцы, если к ним должны примыкать заборники.
Припуск на полирование оставляется в пределах 0,05...0ДО мм.
Технологическими базами при обработке откры-
тых и полузакрытых крыльчаток служат наружные поверхности Б,
отверстия А и торцы В и Г (см. рис. 17.1). Наиболее удобной первич-
ной установочной базой могла бы быть наружная поверхность Б, но
в заготовке лопатки расположены относительно нее не всегда точно.
По этой причине штампованные заготовки открытых и полузакрытых
крыльчаток больших и средних размеров часто устанавливают на
боковые поверхности лопаток и поверхности полок. При обработке
закрытых крыльчаток в качестве первичных установочных баз ис-
пользуются внутренние поверхности на входе и выходе каналов. На
базе этих поверхностей обрабатывают торцы В и Г, центральное
отверстие А или наружную поверхность Б.
Термообработку крыльчаток из алюминиевых сплавов обычно
проводят до механической обработки. Исключение здесь составляют
крупные и сборно-паяные крыльчатки, а также крыльчатки с загну-
тыми лопатками. Так, например, термообработку крупных крыльча-
361
ток с целью сквозного прокаливания проводят после обдирочных
операций. Крыльчатки с загнутыми лопатками термически обрабаты-
вают за 2...3 ч до загибки лопаток, после чего их подвергают старе-
нию.
Качество металла крыльчаток проверяют после закалки и черно-
вой подрезки торца ультразвуковым методом.
Основные этапы технологических процессов
изготовления крыльчаток
Открытые крыльчатки (заборники)
I.	Штамповка из алюминиевых сплавов.
2.	Точение наружного диаметра и подрезка торца.
3.	Ультразвуковой контроль материала заготовки.
4.	Растачивание отверстия и подрезка другого торца.
5.	Сверление отверстий под. шпильки и развертывание двух из них
для фиксации углового положения при последующих установках.
6.	Прорезка впадин между лопатками.
7.	Восстановление технологических баз — подрезка торцев, раста-
чивание отверстия и развертывание двух отверстий под шпильки.
8.	Фрезерование спинки и корыта лопаток.
9.	Обтачивание наружной поверхности, подрезка торца и растачи-
вание выточек.
10.	Обтачивание спинки и растачивание корыта лопаток.
11.	Полирование лопаток и полок между лопатками.
12.	Сверление и зенкерование крепежных отверстий в ступице.
13.	Статическая балансировка.
14.	Окончательный контроль.
Полузакрытые крыльчатки
1.	Штамповка из титанового сплава ВТ25У.
2.	Точение (обдирочное) наружного контура, сверление и растачи-
вание центрального отверстия крыльчатки. Станки с ЧПУ: АТПр-
800Н, АТ320 МСЗ.
3.	Ультразвуковой контроль внутренних дефектов материала
заготовки. Установка для автоматизированного контроля на базе
робота РМ-01.
4.	Черновое (Ла ~ 6,3 мкм) и чистовое (Ra = 3,2 мкм) точение
наружного контура крыльчатки (раздельно правую и левую стороны).
Станки с ЧПУ: АТПр-800Н, AT-320M3C.
362
5.	Термообработка — стабилизирующий отпуск: 530 °C, выдержка
1,5...3 ч, охлаждение на воздухе. Электропечь камерная с воздушной
средой (лучше в вакуумной электропечи, давление 10'3 мм рт.ст.).
6.	Черновое и чистовое (Ra = 3,2 мкм) фрезерование пальцевой
конической твердосплавной фрезой боковых поверхностей лопаток и
полок между ними.
Фрезерные пятикоординатные обрабатывающие центры с системой
ЧПУ: КМЦ-600-10 (черновое фрезерование); КМЦ-600-13 (чистовое
фрезерование Ra = 3,2 мкм); NB=125/2 фирмы ’’Штарраг” (Швейца-
рия); RS12, RS15 фирмы ”Эваг” (Швейцария).
7.	Окончательное точение наружного контура крыльчатки (Ra =
- 1,6 мкм). Станки с ЧПУ: АТ-320 МСЗ (АТ220В1), MDW-20S
фирмы ’’Макс Мюллер” (ФРГ).
8.	Полирование поверхностей лопаток и полок между ними
(Ra = 0,8 мкм).
9.	Сборка крыльчатки с переходной втулкой, соединяющей крыль-
чатку с ТВД.
10.	Обработка технологических баз и лабиринтных поясков.
11.	Шлифование торцевых шлицев на переходной втулке. Станок
’’Микрокат B010UN” фирмы ”Эльб-шлиф” (ФРГ).
12.	Фрезерование эвольвентных шлицев на хвостовике крыль-
чатки.
13.	Нарезание внутренней резьбы.
14.	Сверление отверстий.
15.	Фрезерование пазов на хвостовике крыльчатки. Станок вер-
тикально-фрезерный.
16.	Динамическая балансировка крыльчатки (узла).
17.	Окончательный технический контроль.
Закрытые литые крыльчатки
1.	Заготовка — отливка, полученная лнтьем в кокиль.
2.	Подрезка торцев (раздельно) и растачивание отверстия (техно-
логические базы).
3.	Протягивание шлицев.
4.	Чистовое точение наружной поверхности.
5.	Точение лабиринтных поясков.
6.	Сверление отверстий в ступице и нарезание резьбы.
7.	Окончательный технический контроль.
363
Закрытые паяные крыльчатки.
1.	Заготовка — штамповка.
2.	Корпус крыльчатки с лопатками обрабатывается так же, как и
полузакрытых крыльчаток (этапы
3.	Проверка прилегания крышки к фасонной поверхности корпуса
крыльчатки.
4.	Наложение и точечная приварка полосок припоя к крышке;
сборка корпуса с крышкой.
5.	Пайка в электропечи.
6.	Механическая и химическая очистка крыльчатки от наплыва
припоя и нагара.
7.	Термообработка — закалка, отпуск, старение.
8.	Зачистка и подполировка каналов на входе и выходе.
9.	Обработка отверстия и торца с одной стороны, а затем торца и
верха с другой стороны.
10.	Сверление отверстий, зенкерование и нарезание резьбы на
ступице.
11.	Окончательная обработка под запрессовку стальной втулки со
шлицами или под протягивание шлицев в крыльчатке.
12.	Окончательная обработка наружного диаметра каналов и
лабиринтных поясков на базе шлицевого отверстия.
13.	Зачистка острых кромок и заусенцев; промывка; окончатель-
ный технический контроль.
17.3.	ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЫЛЬЧАТОК
Обработка цилиндрических поверхнос-
тей и торцев крыльчаток выполняется на токарных станках с ЧПУ,
токарно-револьверных и токарно-карусельных станках.
У открытых и полузакрытых крыльчаток обычно вначале обраба-
тывают отверстие н один торец заготовки. Небольшие крыльчатки
устанавливаются по наружной поверхности и торцу в трехкулачко-
вом самоцентрирующем патроне. Большие крыльчатки устанавлива-
ются на боковые поверхности лопаток и полки. Крупные крыльчатки
удобнее обрабатывать на токарно-карусельных стайках. Затем точе-
нию подвергается торец Г, сверлится и растачивается отверстие Л
(см. рис. 17.1, .6). Заготовка устанавливается в трехкулачковом
патроне по поверхностям Б и В. Закрытые литые или паяные крыль-
чатки на первых этапах устанавливаются по поверхностям каналов
в специальных приспособлениях, протачиваются малый торец и
кольцевые поверхности с другой стороны и отверстие А.
364
\ Ф асо'нн ая поверхность лопаток полузакрытых
крыльчаток в мелкосерийном прсизводствс обтачивается на токарных
стрнках по копиру. В крупносерийном прсмзводстве фасонные повер-
х^рсти односторонних и двухсторонних крыльчаток обтачивают на
товарных станках с ЧПУ. При окончательном точении контура со
стороны лопаток у полузакрытых крыльчаток, для увеличения жес- 
ткости детали, в межлопаточное пространство заливается сплав Вуда.
Обработка лопаток открытых и полузакрытых крыль-
чаток производится в три этапа: черновой, чистовой и отделочный.
Черновая обработка прямых (в радиальном направлении) лопаток
открытых крыльчаток, заключающаяся в прорезке впадин между
лопатками, выполняется в 3...4 операции.' Впадины прорезают на
двухшпиндельном специальном фрезерном станке в делительном
приспособлении двумя трубчатыми зенкерами: один из них обрабаты-
вает спинку, а второй — корыто. Конусные поверхности спинки и
корыта фрезеруют раздельно коническими фрезами, устанокпенными
под углом к оси шпинделя станка. Фреза вращается вокруг своей оси
и поступательно перемещается со шпинделем станка, огибая коничес-
кую поверхность лопатки. Оставшийся металл у основания впадин
между лопатками выбирают концевой фрезой на вертикально-фре-
зерных станках.
При чистовой обработке спинку и корыто предварительно и окон-
чательно протачивают на специализированных расточных станках.
Черновое и чистовое фрезерование прямых лопаток и полок
между ними полузакрытых крыльчаток осуществляется дисковыми
фрезами с закругленными зубьями на горизонтально-фрезерных
станках.
Лопатки с параллельными боковыми плоскостями обрабатывают
двумя дисковыми фрезами одновременно с помощью делительного
приспособления.
Лопатки.переменной толщины трапецеидального сечения начисто
фрезеруют одной фрезой раздельно с каждой стороны.
Крыльчатки с криволинейными лопатками обрабатывают в такой
же последовательности, что и с прямыми. Боковые стороны криволи-
нейных лопаток обрабатывают предварительно и окончательно торце-
вой конической фрезой на копировальных станках с гидравлической
следящей системой и на станках с электронным управлением. Боко-
вые стороны лопаток фрезеруются раздельно, полки обрабатываются
концевой фрезой строчечным методом на тех же станках.
Крыльчатки с загнутыми лопатками на входе можно обрабатывать
строчечным методом на копировально-фрезерных станках с горизон-
тальным или вертикальным расположением шпинделей. Заборная
часть может быть образована гибкой лопаток в штампах. Эту опера-
365
дню производят не позже чем через 2...3 ч после закалки перед ।
старением, конца материал еще обладает хорошей пластичностью/ 1
В настоящее время более широко применяется для черновойГи 1
чистовой обработки крыльчаток с загнутыми лопатками (имеющими I
сложный пространственный профиль) фрезерование конической 1
концевой фрезой на пятикоординатных обрабатывающих центрах с J
системой ЧПУ (КМЦ-600-10, КМЦ-60043, NB-125/2 фирмы ”ШТар- ?
par” (Швейцария), RS12, RS15 фирмы ”Эваг” (Швейцария). На ртах >
станках обрабатываются корыто, спинка и полки ступицы, обеспечи-
вая отклонения точек профиля лопаток от теоретического положения |
в направлении осей х, у, z не более 0,2...0,3 мм,	4
Полирование профиля лопаток, и ступицы крыльчатки. Лопатки 5
и поверхности полок полируют войлочными, фетровыми и бязевыми 1
кругами с нанесенным абразивом, а также полотняной абразивной 1
шкуркой.	1
В зависимости от размеров крыльчатки, ее формы и объема вы- J
пуска полирование может быть машинным, машинно-ручным и J
ручным.	‘
Машинное полирование осуществляют на специальных полиро- ]
вальных станках, машинно-ручное — на полировальных бабках или 1
бесконечной абразивной лентой, движущейся с большой скоростью.
Требуемые точность и шероховатость поверхности достигаются за
несколько операций полирования: черновую, чистовую и окончатель-
ную.	4
Черновое полирование осуществляется войлочными или фетровы-
ми кругами с наклеенными абразивным зерном 40 и 50 мкм или
шкуркой.
Чистовое полирование ведут фетровыми кругами с наклеенным
абразивом или абразивной шкуркой зернистостью N10 и N12, обес-
печивающими шероховатость поверхности до Ra = 0,63 мкм. Припуск
на эту операцию оставляют 0,05...0,1 мм.
Для окончательного полирования используют бязевые круги,
покрытые абразивной пастой с зерном 30. ..50 мкм. Этими кругами
снимается припуск ие более 0,01...0,015 мм; шероховатость полиро-
ванной поверхности укладывается в Ra = 0,32.„0,16 мкм.
Спинку лопатки открытой крыльчатки полируют бесконечными
абразивными лентами на полировальных станках с механической
подачей ленты вдоль лопатки или на ленточно-полировальной бабке
с ручным перемещением лопатки относительно движущейся ленты.
Корыто лопатки открытой крыльчатки полируют на бормашинках
фетровыми конусными кружками с наклеенным абразивом.
Прямые лопатки полузакрытых крыльчаток полируют кругами
на специальных полировальных станках, полировальных бабках и
366
\
Абразивной шкуркой вручную. Боковые поверхности лопаток полиру-
ют боковой стороной круга, а основание полки — образующей круга.
I В серийном производстве чистовое полирование прямых лопаток
ишолок между ними выполняется фетровыми кругами на полиро-
вальных бабках с ручной подачей крыльчатки на полировальный
круг.
(Кривые лопатки полузакрытых крыльчаток полируют фетровыми
кружками с помощью бормашинок и вручную абразивной шкуркой.
Полки между лопатками полируют образующей поверхностью тонких
фетровых кругов на полировальной бабке, торцами кружков малого
диаметра на бормашинках и абразивной шкуркой вручную.
Отделка каналов закрытых литых крыльчаток обычно ограничива-
ется рачисткой на входе и выходе каналов металлической шорошкой
и прфюлировкой фетровыми конусными кружками на бормашинках.
В корпусе сборно-паяной закрытой крыльчатки лопатки полируют
до пайки, так же как в полузакрытых крыльчатках.
Отделка сопрягаемых торцев заборника
и полузакрытой крыльчатки осуществляется при-
тиркой торцев тонкой абразивной пастой на вращающихся чугунных
притирочных кругах или на неподвижных притирочных плитах.
С увеличением объема выпуска крыльчаток весьма перспективным
для полирования лопаток и полок между ними, и особенно каналов
у закрытых крыльчаток, является метод экструзионного хонингова-
ния (см. подразд. 14.6), резко сокращающий трудоемкость полирова-
ния и затраты ручного труда рабочих на его реализацию.
Прямобочные и эвольвентные шлицы про-
тягивают на горизонтально-протяжных станках. Торцевые шлицы
нарезают глубинным шлифованием на станках ’’Микрокат” B010UN
фирмы "Эльбшлиф” (ФРГ).
Пайка закрытых крыльчаток осуществляется в электропечах
припоем с добавлением флюса. Зазор между спаиваемыми поверхнос-
тями крышки и корпуса крыльчатки диаметром 250 мм не более
0,2 мм. С уменьшением зазора качество пайки улучшается. Если
фактический зазор окажется более 0,2 мм, то крышку подгоняют к
корпусу по месту притиркой. Перед пайкой корпус крыльчатки и
крышку тщательно обезжиривают и промывают. Затем их собирают
с припоем и закрепляют в специальном приспособлении из жаропроч-
ного металла.
Припоем для пайки дуралюминовых крыльчаток служит силумин
(Si — 11,7 % и Al — остальное) или другие сплавы на алюминиевой
основе. Для пайки стальных крыльчаток применяют обычно серебря-
ные припои.
367
Припой в виде ленты или фольги толщиной 0,1...0,2 мм укладывав
ется между спаиваемыми поверхностями и прикрепляется к крышке
точечной сваркой; припой из проволоки укладывается вдоль ж
кромок и также прихватывается точечной сваркой. Припой в виде
пасты накладывается на припаиваемую поверхность крышки. I
Крыльчатку с припоем в виде проволоки или пасты можно паять
без крепежного приспособления, прихватив крышку к корпусу в
нескольких местах точечной сваркой.	/
Флюс в виде мелкого порошка или пасты накладывается вдоль
шва на подогретые детали. .В состав флюса для припоя марки р4А
(А1 — основа) входят: фтористый калий или натрий (10±1 %); кло-
рнстый цинк (8±2 %), хлористый литий (32±3 %> и хлористый
калий — остальное.	|
Паяные швы у крыльчатки тщательно зачищаются и промыва-
ются.
Балансировка крыльчаток — только статическая, динами-
ческая балансировка делается в собранном роторе. Статическое
равновесие крыльчатки в любом положении по окружности достига-
ется снятием металла с полок у наружной окружности, а в заборни-
ках — со спинки лопатки.'Перед балансировкой лопатки заборников
подгоняются снятием металла со спинки лопатки, по частоте со-
бственных колебаний.
17.4.	ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
КРЫЛЬЧАТОК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
В условиях эксплуатации крыльчатки в двигателе подвергаются
в основном физико-химическому воздействию воздушного потока и
центробежных сил, вызывающих в лопатках пылевую эрозию, корро-
зию (солевую, электрохимическую, газовую) и снижение усталостной
прочности.
Для защиты проточной части крыльчатки от коррозионно-эрозион-
ных повреждении и повышения прочности лопаток наиболее перспек-
тивным технологическим направлением является нанесение соответ-
ствующих защитных покрытий и ионное легирование (см. подразд.
5.3, 5.6).
Для повышения сопротивления эрозии и усталостной прочности
лопаток открытых и полузакрытых крыльчаток, работающих при
температуре нагрева до 200 °C (из алюминиевых сплавов) и до
400 °C (из сталей и титановых сплавов), можно рекомендовать
деформационное упрочнение микрошариками (см. подразд. 5.1).
368
17.5.	ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КРЫЛЬЧАТОК
। Основными геометрическими параметрами, проверяемыми на
I окончательном контроле с помощью приспособлений, являются:
I угловое расположение лопаток;
I толщина лопаток на линии равных толщин;
\ биение цилиндрических и торцевых поверхностей относительно
посадочных (базовых) поверхностей;
\ кривизна профиля лопаток в поперечном сечении и в продольном
(по длине лопатки) направлении.
I Лопатки открытых крыльчаток контролируют по частоте собствен-
ных колебаний индикатором.
1Угловое расположение лопаток проверяется по накладному диско-
вому шаблону с точно расположенными спицами (рис. 17.4). Число
спиц в шаблоне равно числу лопаток в крыльчатке. Шаблон устанав-
ливается по отверстию или пояску крыльчатки и прикрепляется к
крыльчатке после совмещения его спицы с одной из лопаток. Далее,
переставляя рычажный индикаторный прибор, проверяют смещение
остальных лопаток относительно спиц шаблона.
Толщина лопатки по линии равных толщин определяется с по-
мощью рычажного индикаторного прибора, установленного на две
плоскости наклонной коробки приспособления (рис. 17.5). Угол
наклона коробки совпадает с углом наклона линии равных толщин
лопатки крыльчатки.
Рис. 17.4. Контроль углового расположения лопастей по шаблону
369
Рис. 17.5. Контроль толщины лопасти по линии равных толщин	/
Биение цилиндрических и торцевых поверхностей относительно
базовой поверхности крыльчатки определяется индикатором на
центровой оправке, плотно вставляемой в отверстие крыльчатки.
Кривизна профилей лопаток в продольном и поперечном направ-
лениях определяется с помощью щупа и точных шаблонов, прижима-
емых к профилю лопаток. При этом контроле шаблон жестко связы-
вается в заданном положении с профилем лопатки крыльчатки.
Остается свободным только одно движение шаблона или лопатки в
направлении их сближения. После проверки профиля по одному
шаблону переходят к проверке другого профиля другим шаблоном,
который также жестко закрепляется.
Частота собственных колебаний лопатки и заборника проверяется
на специальной вибрационной установке с помощью звуковых коле-
баний различной частоты, подаваемых генератором. При совпадении
частот собственных колебаний лопатки с частотой датчика установки
на экране осциллографа появляется изображение прямоугольника с
максимальной высотой.
Крыльчатки подвергаются также контролю на отсутствие внешних
и внутренних дефектов в материале (трещин, пор, рыхлот, шлаковых
включений и др.). Внешние дефекты выявляют методом ЛЮМ-А,
внутренние — рентгеновским или ультразвуковым методом.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
I.	Каковы основные особенности технологии открытых, полузакрытых и закрытых
крыльчаток?
2.	Какие методы изготовления заготовок крыльчаток используют в отрасли?
3.	Какие поверхности крыльчаток используют в качестве технологических баз?
4.	Какими методами обрабатывают лопатки открытых и полузакрытых крыльчаток?
5.	Каковы особенности методов технологического контроля крыльчаток?
370
гллвл 18. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВАЛОВ ТУРБИНЫ
И КОМПРЕССОРА
18.1	. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ,
МАТЕРИАЛЫ Й ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ВАЛОВ
\ Конструкция валов. Валы турбины и компрессора предназначе-
ны для передачи крутящего момента и передачи усилий ротора на
опоры двигателя. Они являются наиболее ответственными деталями
двигателей, работают с большими нагрузками и с высокой частотой
вращения. Поэтому к их прочности, точности, сбалансированности
и] массе предъявляются высокие требования. Обеспечение этих требо-
ваний приводит к значительному усложнению *"-'нс'гк” ”<*•’	~
технологии их изготовления, относительно высокой трудоемкости.
Необходимость уменьшения массы приводит к усложнению формы
валов, заставляет делать их пустотелыми и тонкостенными.
Внешние поверхности валов турбин (рис. 18.1, а, б) и компрессоров
(рис. 18.1, в) (в двухвальных ГТД их называют вал турбины высоко-
го давления (ТВД) и вал турбины низкого давления (ТНД)) пред-
ставляют собой различные сочетания гладких шеек, шлицев, резьбы,
зубчатых колес, фланцев и т.п. Фланцы некоторых валов часто
имеют внутренние или торцевые шлицы, отверстия под крепежные
болты. Форма осевых отверстий задается в основном из условий
равнопрочности детали, поэтому они бывают прямыми, ступенчаты-
ми. сферическими и другой формы. Большинство валов, кроме осе-
вых, имеют и радиальные отверстия для подвода масла из внутрен-
ней полости к наружным трущимся поверхностям.
Технические условия на изготовление валов. Тяжелые условия
работы валов определяют высокие требования к точности их обработ-
ки, которые характеризуются следующими величинами:
Точность рабочих шеек — 6..7 квалитет, а нерабочих — 8... 12 квалитет;
Отклонение геометрической формы рабочих шеек допускается в пределах 0,005—
0,02 мм, а нерабочих —0,1—0,04 мм;
Биение рабочих шеек относительно друг друга допускается в пределах 0,01...
0,04 мм;
Взаимное биение рабочих и нерабочих шеек допускается в пределах 0,05...0,2 мм;
Точность сопрягаемых отверстий 5...7 квалитет;
Точность осевых отверстий 8—11 квалитет;
Разностенность (см. рис. 18.1) — не более 0,1 мм;
Точность резьбы 6—7 квалитет;
Точность шлицев 6...7 квалитет;
Шероховатость рабочих поверхностей Ra = 1,25...0,16 мк, а остальных Ra “=
— 5—1,25 мкм.
Некоторые валы статически и динамически балансируются с высокой точностью
(остаточный дисбаланс 20—40 г • см).
371
3190"0>02
3282*0,05
Рис. 18.1. Балы:
а — турбины низкого давления; б — турбины высокого давления; в — компрессора; г —
с цапфой, технологичной при ротационном выдавливании
372
Рабочие поверхности валов часто цементируют на глубину от 0,7 до 1,2 мм.
Твердость цементируемых поверхностей HRC л 58. Б некоторых случаях рабочие
поверхности валов азотируют. Глубина азотируемого слоя колеблется в пределах
0,6...0,9 мм, а твердость HRC ~ 65.
Дефекты поверхностного слоя (трещины, надиры, риски и прижоги) на валах
^турбины и компрессора не допускаются.
’ Материалы валов. Для изготовления валов компрессора и турбины
применяются высококачественные легированные стали и сплавы. Для
двигателей второго и третьего поколений чаще всего применялись для
валов компрессоров хромоникелевые стали 18ХНВА, 12ХНЗА,
40ХНМА и мартенситные теплостойкие нержавеющие стали
13Х11Н2В2МФА (ЭИ961Ш), 1Х12Н2МФАБ (ЭП517) и для валов
турбин,- сплавы ХН73МБТЮ (ЭИ698), НХ77ТЮ (ЭИ437А),
ХН77ТЮР (ЭИ437БУВД); для двигателей четвертого и пятого поко-
лений - 1Х15НМФАБК4 (ЭП866), Х12НМБФ (ЭП609Ш) (валы
компрессоров) и ХН70МВТЮБ (ЭИ598), ХН77ТЮ (ЭИ437А),
ЭП741НП (валы турбин).
Технологичность конструкции валов. Технологичность валов ГТД
определяется в основном длиной вала, сложностью конфигурации
наружных и внутренних поверхностей, наличием удобных подходов
режущего инструмента при их обработке и видом заготовки.
Высоколегируемые сплавы, из которых изготавливают валы тур-
бин, обладают низкой обрабатываемостью резанием. Получение
заготовок с малыми припусками, как правило, невозможно. Валы
турбины более чем вдвое длиннее валов компрессора. Внутренняя
полость валов турбины обычно имеет ступенчатый профиль с удобны-
ми подходами режущего инструмента для ее обработки.
Рассмотрим основные рекомендации по технологичности конструк-
ции валов ГТД с трех точек зрения: получения заготовок, термичес-
кой и механической обработок.
Заготовки валов ГТД получают горячим деформированием и
ротационным выдавливанием.
Технологичность валов из штампован-
ных заготовок. Конструкторам следует стремиться к тому,
чтобы штампованные и кованые валы не имели сложной геометричес-
кой формы и резких переходов от сечения к сечению.
Вал технологичной конструкции имеет небольшой диаметр фланца
по сравнению с диаметром его стержня. Заготовку такого вала с
фланцем диаметром до 300 мм можно получить высадкой на горизон-
тально-ковочной машине (ГКМ) из прессованного прутка или бес-
шовной трубы. Расход металла при штамповке вала этим способом
минимальный. Если заготовку этого вала изготовить из прутка, то
КИМ = 0,15, а из бесшовной трубы — 0,3. Точность изготовления при
высадке выше.
Дальнейшее увеличение КИМ и согласование волоконной структу-
ры можно было бы достичь, добавляя операцию ротацион-
ного выдавливания, обеспечивающего получение высоко-
го КИМ, оптимальных припусков под механическую обработку,
желаемую текстуру и разнозернистость сплава.	I
Исходная заготовка под ротационное выдавливание в 2...3 раза*1
короче исходной заготовки под механическую обработку того же вала
и имеет меньшую массу.
Пустотелая штамповка механически обрабатывается до размеров
заготовки под ротационное выдавливание. После ротационного вы-
давливания заготовка должна иметь припуски на толщину стенки
0,5...2,0 мм под окончательную механическую обработку вала. Име-
ющееся в промышленности оборудование для ротационного выдавли-
вания позволяет обрабатывать заготовки с максимальной толщиной
стенки на цилиндрических участках до 16... 18 мм, на конических до
10... 12 мм. Таким образом, экономически целесообразная максималь-
ная толщина стенок валов с учетом припусков на цилиндрических
участках не должна превышать 6...8 мм, на конических 4...5 мм.
Валы, которые можно получить ротационным выдавливанием,
условно делятся на три конструктивные группы: цилиндрические,
конические (см. рис. 18.1, г) и с цилиндрическими и коническими
участками. Наиболее технологичными для ротационного выдавлива-
ния являются валы первой группы, наименее технологичными —
третьей.
Нетехнологичными конструкциями являются валы: с высокими
наружными и внутренними выступами (их невозможно изготовить
ротационным выдавливанием); с закрытой полостью; имеющие
ступени разного диаметра и большие толщины стеиок; наличием
вогнутых и выпуклых поверхностей на коническом участке.
Технологичная конструкция вала не должна иметь выступов.
Толщина стенок может быть переменной или постоянной, угол
наклона конической поверхности к оси вала не более 30°.
Технологичность термообрабатываемых
валов. Длина валов в современных ГТД достигает 2000 мм и
более. С точки зрения проведения технологических процессов терми-
ческой обработки вал длиной более 1000 мм можно считать нетехно-
логичным, так как имеющиеся на заводах электропечи для термичес-
кой обработки таких валов непригодны, требуются специализирован-
ные шахтные электропечи с рабочей температурой 1000 °C и больши-
ми размерами рабочего пространства.
Валы, получаемые штамповкой, поступают на термическую
обработку в виде заготовки с припусками более 3 мм на сторону на
374
последующую механическую обработку, поэтому нагрев их под
закалку производят в обычных электропечах без защитных атмосфер.
Валы, получаемые ротационным выдавливанием, проходят двой-
ную термическую обработку, заготовка вала после обдирки поступает
на нормализацию и высокий отпуск для подготовки структуры метал-
ла под ротационное выдавливание. Эти операции проводятся в элек-
тропечах с окислительной атмосферой. После ротационного выдавли-
вания для получения требуемых механических свойств точные заго-
товки подвергаются закалке с последующим отпуском или старением.
Заготовки, полученные ротационным выдавливанием, обычно имеют
припуск на сторону 0,8... 1,0 мм. В этом случае операцию закалки
следует проводить в вакууме или в среде аргона.
Технологичность валов, обрабатываемых
резанием. Для качественного и экономичного изготовления
валов необходимо в процессе проектирования учитывать следующие
требования по технологичности их конструкции:
наружные и в особенности внутренние поверхности должны быть
по возможности простыми и доступными для обработки, не иметь
завышенных требований к точности и шероховатости;
для обеспечения соосности внутренних поверхностей конструкция
вала должна допускать обработку всех внутренних поверхностей с
одной стороны при одной установке детали;
длинномерные валы и валы с выточками и карманами следует
проектировать сварной конструкции;
предусматривать центровые фаски, используемые как технологи-
ческие базы при обработке наружных поверхностей;
не предусматривать на стержне валов отверстий, оси которых не
пересекаются с осью вала.
Нетехнологичным из условий механической обработки является
вал компрессора со сложной внутренней полостью (см. рис. 18.1, в).
Наличие уступов на концах вала затрудняет доступ режущего ин-
струмента для ее обработки. Эти недостатки конструкции не позволя-
ют получить необходимую разностенность и соосность всех внутрен-
них поверхностей.
Нетехнологичным также является вал с чрезмерно развитым
фланцем сложной геометрии. У такого вала низкий КИМ и большой
объем механической обработки. Для повышения технологичности
вала турбины целесообразно упростить геометрию фланца и внутрен-
ней полости.
Сварной вариант конструкции вала более технологичен.
375
18.2	. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ
Заготовки валов. Заготовки валов, как правило, получа-
ют горячим деформированием (1050... 1200 “С). Заготовки для пусто-
телых тонкостенных валов цилиндрической и конической формы
можно получить ротационным выдавливанием (см. подразд. 20.3).
Штампуют заготовки под молотом, на прессах или горизонтально-
ковочных машинах. Разъем штампа в зависимости от формы заготов-
ки может быть вдоль или поперек оси вала (рис. 18.2, а, @). Попереч-
ный разъем возможен обычно в тех случаях, когда вал имеет на
конце фланец,' а остальная часть его гладкая или ступенчатая с
постепенным (от фланца) уменьшением диаметров ступеней. При
поперечном разъеме можно получить отверстие со стороны большого
торца (у разъема), особенно если заготовка куется на ГКМ. Это
делают тогда, когда диаметр отверстия достаточно велик. Даже в
единичном производстве валов эти методы предпочитают более деше-
вым (при малой программе) методам отрезки заготовок непосред-
ственно от прутков, свободной ковке в открытых или полуоткрытых
штампах из-за высоких требований к прочности материала и направ-
лению волокон. Эти требования следующие: а) волокна, формируе-
мые при получении заготовок, не должны перерезаться при последу-
ющей механической обработке; б) коэффициент использования мате-
риала должен быть достаточно высок (с учетом программы выпуска
и затраты дорогой штамповой стали). Так, заготовку вала турбины
низкого давления из стали 1Х12Н2ВМФ можно получить: штампов-
кой на молоте в закрытом штампе с продольной плоскостью разъема
верхнего и нижнего штампов (КИМ — 0,12) (см. рис. 18.2, а); с попе-
речной плоскостью разъема (КИМ = 0,23) (см. рис. 18.2, б); прессо-
ванием (КИМ - 0,36) (см. рис. 18.2, в). Масса специальных закрытых
штампов для вариантов и ”б” примерно одинакова и в десятки
раз превышает массу охватываемой ими заготовки. Необходимы два
комплекта этих штампов: предварительные и окончательные. При
прессовании используются относительно короткие сменные матрицы
Рис. 18.2. Заготовки валов:
а — при продольной плоскости разъема штампов; б — при поперечной плоскости
разъема штампов; в — при прессовании; г — при изостатическом вакуумном прессова-
нии из гранул
376
& 39711,0
" 377
из штамповой стали, вставляемые в коническое гнездо универсально-
го корпуса из дешевой стали. В нижнем основании окончательных
матриц (состоящих из двух полуматриц с разъемом по плоскости
вдоль оси вала) имеется отверстие, через которое пуансон выдавлива-
ет в открытое пространство длинную часть заготовки вала. Пуансон,
выдавливающий этот металл и обеспечивающий заполнение фигуры
матрицы, имеет на конце иглу-оправку, формирующую отверстие
части вала, истекающей из матрицы. Таким образом можно получить
в валах отверстия малого диаметра длиной 2...2,5 м при высоком
КИМ с малыми затратами штамповой стали.
При определении контура заготовки учитываются нормативные
припуски, необходимые для удаления поврежденного поверхностного
слоя и дефектов формы (6... 10 мм в зависимости от размеров). Затем
с учетом положения плоскости разъема штампов, матриц, направле-
ния течения металла, особенности удаления отштампованной заготов-
ки назначают штамповочные уклоны, радиусы скругления (см. рис.
18.2, а, б), участки постоянного сечения (см. рис. 18.2, в), приводя-
щие к избыточному припуску, (напуску). Так, при выпрессовывании
вала через отверстие в матрице конусность не нужна, но дан напуск
на постоянство сечения. При высадке фланцев на горизонтально-
ковочных машинах пуансон отводится от зажатой в полуматрицах
заготовки механизмом машины; можно не делать конусность на
высаженной поверхности фланца.
Штамповочные уклоны для отверстий принимаются в пределах
1O...150, а для наружных поверхностей 3...7°. Все -переходы у заготов-
ки должны быть плавными, направление волокон должно соответ-
ствовать конфигурации вала.
Заготовки валов турбины и компрессора принимают по первой
группе контроля (ОСТ 1.00021—78). В этом случае от каждой заго-
товки отрезают конец длиной 70...75 мм для изготовления образцов
на механические испытания, а заготовку соответственно предусмат-
ривают более длинной.
Для заготовки вала из прутка диаметр фланца должен быть D <
< 2,5d, а из трубы D s (1,25... 1,5) <2. Длина вала в обоих случаях не
ограничивается.
При изготовлении валов из трубных заготовок на ГКМ можно
также производить набор металла во внутрь трубы, т.е. уменьшить
его внутренний диаметр.
При изготовлении валов штамповкой (осадкой в торец) диаметр
фланца D .должен быть не более 5J, высота фланца Н 130 мм,
диаметр прошивки > 60 мм, а длина L не должна превышать
1300 мм.
378
В отдельных случаях, когда диаметр фланца значителен, жела-
тельно применять сборные конструкции, состоящие из фланца и
стержня. Изменение конструкции позволяет значительно снизить
расход металла, объем кузнечной и механической обработки.
В технических условиях на заготовки валов обычно указывают
первую группу контроля (из каждой заготовки вырезается образец
для испытаний иа разрыв и ударную вязкость). Определяют способ
очистки поверхности (например для штамповок из стали — химичес-
кое стравливание окалины). Ограничивают глубину поверхностных
дефектов до половины припуска на механическую обработку (прове-
ряют зачисткой). Регламентируют смещение штампов (до 1...3 мм),
коробление штамповок и методы их исправления. Определяются
термическая обработка, твердость, структура волокон на макрошли-
цах образцов, вырезанных из отобранных заготовок. Указывается
метод контроля дефектов (рентген, ультразвуковой контроль, люми-
несцентный контроль и цветная дефектоскопия и соответствующая
подготовка поверхности для их применения). Обдирка штамповок
крупных валов обычно производится на предприятии-поставщике.
Припуски на механическую обработку в зависимости от формы и
размеров вала — 6... 12 мм на диаметр для штамповок и 0,5...2 мм
после ротационного выдавливания. Их определяют расчетным путем,
пользуясь соответствующими нормативами.
Заготовки валов компрессоров и турбин, как и заготовки дисков,
изготовляются на специализированных предприятиях и поступают на
авиадвигателестроительный завод предварительно механически и
термически обработанными. На заводе эти заготовки проходят ком-
плексный входной контроль. Для улучшения обрабатываемости
лезвийным инструментом заготовки подвергаются закалке при темпе-
ратуре 1010... 1050 °C и отпуску при 570...650 °C.
Технологические базы для обработки валов. Основной технологи-
ческой базой при механической обработке наружного контура валов,
особенно длинных (см. рис. 18.1), являются центровые фаски. Для
обработки внутренних поверхностей вала, а также мелких осевых и
радиальных отверстий в качестве технологической базы используют
наружный диаметр стержня и его торец.
Для увеличения жесткости длинных валов при обработке наруж-
ных и внутренних поверхностей широко используются люнеты.
Технологическими базами для механической обработки валов
большого диаметра, но коротких, например вала ТВД (см. рис. 18.2),
являются наружный диаметр и торец вала и диаметр фланца и его
торец.
Закрепление валов на станках обычно осуществляется в трех- и
четырехкулачковых патронах.
379
Основные этапы технологического процесса
изготовления валов турбины и компрессора
В качестве примера рассмотрим основные этапы технологических
пропессов изготовления вала турбины низкого давления и турбины
высокого давления двухвальных ГТД.
Вал турбины низкого давления (см. рис. 18.1, а), мартенситно-
стареющая сталь 15Х12Н2МВФАБ-Ш (ЭП517) (ТУ 14-1-2902-80).
1.	Штамповка, термообработана, с твердостью по Бриннелю d >
>. 3,5 мм, без предварительной механической обработки, КИМ =
= 0,15, первая группа контроля (ОСТ 1000021—78). Термическая
обработка заготовок валов на заводе-поставщике производится по
режиму: нормализация при температуре нагрева 1120±15 °C, воздух;
отжиг — 740±15 °C, воздух; закалка с 1120±10 °C в масло; отпуск
670...700 °C, воздух.
2.	Подрезка торцев, точение на стержне шеек под люнет, зацен-
тровка стержня вала (подготовка технологических баз для черновой
обработки вала). Токарный станок.
3.	Черновое точение наружного контура вала. Токарный станок с
ЧПУ, 1Б732ФЗ.
4.	Предварительное сверление отверстия с торца стержня, отрезка
образца для механических испытаний, зацентровка вала со стороны
фланца. Токарный станок.
5.	Глубокое сверление отверстия со стороны фланца. Специальный
горизонтально-сверлильный станок фирмы ’’Берингер” (ФРГ).
6.	Точение внутренних поверхностей фланца.- Токарный станок.
7.	Термообработка вала (закалка, отпуск), твердость НВ d =
= 3,3...3,5 мм.
8.	Чистовое точение наружных поверхностей вала. Специальный
станок с ЧПУ фирмы ’’Хайнеман” (ФРГ).
9.	Чистовое растачивание внутренней полости вала. Горизонталь-
но-расточной станок МК-6017. Горизонтально-сверлильный станок
фирмы "Берингер”.
10.	Окончательное точение наружного контура вала и фланца.
11.	Шлифование наружных и внутренних поверхностей вала.
Круглошлифовальный и внутришлифовальный станки.
12.	Фрезерование эвольвентных шлицев на стержне вала. Зубоф-
резерный станок.
13.	Сверление радиальных отверстий различного диаметра, фрезе-
рование канавок пазов. Радиально-сверлильный и вертикально-
фрезерный станки.
14.	Нарезание резьбы со стороны фланца и на стержне. Токарный
станок.
380
15.	Магнитный контроль наружных дефектов материала вала.
Установка МСАТ-10000РЭ (УМД-9000).
16.	Шлифование и алмазное выглаживание наружных и внутрен-
них базовых поверхностей фланца. Круглошлифовальный, внутриш-
лифовальный и токарный станки.
17.	Точение канавок лабиринтного уплотнения на фланце, раз-
дельно каждую канавку фасонным резцом. Токарный станок.
18.	Полирование наружных поверхностей и внутренней полости
вала. Токарный станок.
19.	Окончательный контроль геометрии вала, в том числе магнит-
ный контроль внешних дефектов материала.
Вал турбины высокого давления (см. рис. 18.1, б), сплав
ЭП741НП (ТУ 1-809-629-86).
1.	Заготовка, изготовленная горячим изостатическим прессованием
гранул и термообработанная, предварительно проточена {Ra - 2,5
мкм) кругом (см. рис. 18.2, г), проверена ЭХО-методом ультразвуко-
вой дефектоскопии и ЛЮМ-1 заводом-поставщиком, КИМ — 0,42.
Первая группа контроля по ОСТ 100021—78. Термообработка загото-
вок — отжиг, совмещенный с закалкой: нагрев — 1200° ±10 °C, выдер-
жка — 8 ч, охлаждение с печью до 1130° ±10 °C, выдержка —2 ч,
охлаждение на воздухе; старение — 910° ±10 °C, выдержка — 16 ч,
охлаждение на воздухе.
2.	Ультразвуковой контроль внутренних дефектов материала
заготовки.
3.	Подрезка торцев фланца и стержня и точение его хвостовика
(технологические базы). Универсальный токарный станок высокой
точности DLZ-800 (ФРГ).
4.	Чистовое точение наружного и внутреннего контуров вала со
стороны, фланца {Ra в 2,5 мкм). Обрабатывающие центры MDW-20S,
MDW-20SK (ФРГ), 1П732РФЗ.
5.	Полирование наружного и внутреннего контуров вала со сторо-
ны фланца. Токарный станок.
6.	Травление вала и контроль поверхностных дефектов материала.
7.	Стабилизирующий отжиг в среде аргона или в вакууме: темпе-
ратура нагрева — 870°±10 °C, выдержка — 5 ч. Вакуумная электро-
печь фирмы ’’Улвак” (Япония).'
8.	Подрезка торцев стержня (восстановление технологических
баз). Токарный станок DLZ-800.
9.	Окончательное точение наружного и внутреннею контуров вала
со стороны фл'анца. Обрабатывающие центры MDW-20S, MDW-20SK
(ФРГ).
10.	Полирование наружных и внутренних поверхностей вала со
стороны фланца. Токарный станок.
381
11.	Точение и йодирование канавок лабиринтного уплотнения и
прилегающего к ним стержня вала. Токарный станок с ЧПУ NF-300
(ФРГ), DLZ-800.
12.	Сверление, зенкерование и развертывание отверстий (Ra = 2,5
мкм) различного диаметра. Радиально-сверлильный станок, 2М55.
13.	Фрезерование по копиру концевой фрезой радиусных выступов
на торце стержня. Вертикально-фрезериый станок с ЧПУ МА-655.
14.	Шлифование торцевых шлицев на торце стержня. Специаль-
ный шлифовальный станок 3D722, ”Микрокат-В10” фирмы ”Эльб-
шлиф” (ФРГ).
15.	Термообработка — стабилизирующий отжиг вала. Вакуумная
электропечь фирмы ’’Улвак” (Япония).
16.	Точение поверхностей фланца (восстановление технологичес-
ких баз, центрирование вала в приспособлении по торцевым шли-
цам). Универсальный токарный станок высокой точности.
17.	Сверление, зенкерование и развертывание отверстий во флан-
це. Радиально-сверлильный станок 2М55.
18.	Контроль внешних дефектов материала вала ЛЮМ-1.
19.	Деформационное упрочнение микрошариками поверхностей
торцевых шлицев (диаметр 0,16...0,3 мм). Специальная установка.
20.	Окончательный контроль вала.
Механическая обработка валов. Механическая обработка наруж-
ных и внутренних поверхностей валов осуществляется в основном на
высокоточных металлорежущих станках с ЧПУ, обеспечивающих
заданную точность и разностенность валов в пределах 0,1 мм.
Механическая обработка (лезвийная и абразивная) валов обычно
разделяется на три этапа: черновую (обдирку), чистовую и оконча-
тельную.
Черновой обработкой достигается равномерное распределение
припусков на последующую обработку и удаляются поверхностные
дефекты материала заготовки. Ее проводят при напряженных режи-
мах, ограничиваемых допускаемыми деформациями вала под дей-
ствием усилий резания и закрепления. При значительных масштабах
производства здесь чаще применяют мощные и жесткие станки
высокой производительности.
При чистовой обработке снимают значительно меньшие припуски,
чем при черновой. Режимы обработки здесь назначают менее напря-
женными во избежание деформаций как всего вала, так и его повер-
хностных слоев. При серийном производстве на этом этапе применя-
ют производительные многорезцовые токарные станки, часто снаб-
женные копировальными устройствами. Основная цель этого этапа
— получить вал с малыми припусками на окончательную обработку.
382
Здесь должны быть неправлены погрешности после первого этапа
механической обработки и коробление после термообработки.
При окончательной обработке требуется получить заданные
точность, шероховатость поверхности и физико-химическое состояние
поверхностного слоя рабочих поверхностей вала. По этой причине
здесь недопустимы условия, при которых могут возникнуть значи-
тельные погрешности вследствие деформации и нагрева детали.
Наибольший удельный вес на этом этапе имеет абразивная обработка
на шлифовальных станках. Кроме того, применяются различные
методы отделки (хонингование, суперфиниширование, алмазное
выглаживание и полирование). На этом же этапе, как правило,
обрабатывают резьбу, шлицы и другие поверхности, которые могли
бы быть повреждены, если бы их обрабатывали раньше.
При построении технологического процесса обработки вала обычно
придерживаются такой последовательности, чтобы на последних
этапах внутренние поверхности обрабатывались ранее наружных. Это
обусловлено тем, что концентричность наружных и внутренних
поверхностей проще обеспечить, если вначале обработать внутренние
поверхности, используя их затем в качестве технологических баз для
обработки наружных. Бывают, однако, случаи, когда от этого прави-
ла приходится отступать и окончательно обрабатывать отверстия в
конце технологического процесса. Так, в частности, поступают, если
вал имеет впрессованные вкладыши из мягкого металла (например,
из свинцовистой бронзы); использование окончательно обработанных
отверстий вкладышей в качестве технологической установочной базы
могло бы привести к надирам прн установке на оправку.
Термическая обработка валов. Большое внимание необходимо
уделять выбору места термической обработки. Термоулучшаемые
валы, например, можно подвергать закалке как до механической
обработки, так и после первого этапа. В первом случае, очевидно,
отпадет необходимость в транспортировке валов из механического
цеха в термический и обратно, и тем самым сокращается длитель-
ность цикла обработки. Однако это не всегда удается. При наличии
больших припусков на обработку возникает опасность непрокалива-
ния валов. Такие валы вначале обдирают, а затем подвергают термо-
обработке.
Для валов, имеющих отдельные цементируемые участки, место
термообработки в технологическом процессе зависит в основном от
способа защиты нецементируемых поверхностей. В авиадвигателес-
троении применяют следующие способы защиты.
1.	Меднение нецементируемых поверхностей перед цементацией.
2.	Увеличение на нецементируемых поверхностях припуска,
который снимают после цементации, но перед закалкой.
383
3.	Комбинация первого и второго способов, заключающаяся в
меднении поверхностей с увеличенным припуском, который снимают
после закалки деталей (двойная защита).
При решении вопроса о выборе способа защиты от цементации
руководствуются следующими соображениями. Если допускается
местное повышение твердости на нсцсментируемых поверхностях, то
применяют первый способ. Если деталь имеет поверхности, повыше-
ние твердости которых совершенно недопустимо (места, где должны
сверлиться после закалки мелкие отверстия, нарезаться резьба,
шлицы и т.п.), то применяют третий способ. Наконец, если при
обработке (чистовой или окончательной) нецементируемых повер-
хностей металлическим режущим инструментом приходится прохо-
дить участки цементируемых поверхностей, то в этом случае приме-
няют второй способ.
18.3.	ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ
Подрезка торцев и зацентровка.
Торцы подрезают в зависимости от размеров вала и масштаба произ-
водства на токарных или горизонтально-фрезерных станках. При
подрезке на токарных станках заготовку устанавливают в патроне,
а на фрезерных — в приспособлении с установочными зажимными
призмами. После обработки торцев производят зацентровку. Зацен-
тровать заготовки можно на станках общего назначения (токарных,
сверлильных, револьверных) и на центровочных одно- и четырех-
шпиндельных типа ФЦ-2.
Крупные заготовки зацентровывают вручную по разметке или по
кондуктору с помощью электродрели или на радиально-сверлильных
станках.
В мелкосерийном и единичном производствах распространена
зацентровка с помощью спирального сверла и зенковки. Однако для
малых и средних валов в серийном производстве лучше применять
комбинированные центровые
сверла. Такие сверла позволя-
ют получить отверстие за
один проход.
В крупносерийном произ-
водстве для зацентровки не-
больших валов применяют
Рис. 18.3. Подрезка торцев и зацен-
тровка на фрезерно-центровальном
станке
384
фрезерно-центровальные станки (рис. 18.3), позволяющие с одного
установи произвести обработку торцев и зацентровку. При всех
способах выполнения операции зацентровки должно быть обеспечено
равномерное распределение припуска.
Центровые фаски и торцы используют как базы для чернового,
чистового точения и шлифования наружных поверхностей. Перед
чистовым точением (на станках с ЧПУ или многорезцовых автома-
тах) их рекомендуется точно обрабатывать на центровально-подрез-
ных станках (МР179, 2931), н тогда не требуется дополнительная
подрезка торцев. Если же торцы фрезеровались, подрезка торцев
обязательна. Указанные станки обеспечивают соосность центровых
отверстий до 0,1 мм. Перед шлифованием после термической обра-
ботки центровые отверстия шлифуют на станках типа 3922Р, МВ 119,
обеспечивающих отклонения от круглости до 1...3 мкм или Ra = 0,63
мкм.
Обработка отверстия в сплошном матери-
але. Отверстия коротких валов обрабатывают чаще всего на токар-
но-револьверных станках. На этих станках кроме отверстия можно
обработать еще и наружные поверхности свободного конца. На
рис. 18.4 показана наладка токарно-револьверного станка при обра-
ботке короткого вала. Последовательность обработки обозначена
цифрами. Подрезка торца J н зацентровка его делается жестким
сверлом с углом заточки 90° в одной револьверной операции с обра-
Рис. 18.4. Наладка токарно-револьверного станка для обработки сплошных заготовок
небольших валов
13 Зак 1398
385
боткой отверстия и наружной поверхности фланца. Зацентровка
уменьшает увод сверла с углом заточки 120е — его перемычка в
момент врезания не работает. Сначала сверлят отверстие 3 жестким
коротким сверлом. В следующем переходе его растачивают, устраняя
увод оси. Затем сверлят остальную часть 5 отверстия либо сверлом
с удлнтельным сплошным стержнем, либо комбинированным свер-
лом-зенкером, которое жестче более длинного сверла и частично
направляется расточенной частью отверстия.
Особую сложность в обработке представляют валы с большим
отношением длины к диаметру отверстия. Отверстия таких валов
обрабатывают как с одной стороны (насквозь), так и с двух сторон.
Второй способ более производительный, но при нем возможно образо-
вание переходной ступени в середине вала.
Для обработки отверстий длинных валов используют сверла для
глубокого сверления или расточные головки (см. подразд. 10.5).
Обработку сверлом для глубокого сверления, а также перовыми
сверлами производят на горизонтально-сверлильных станках двумя
методами: 1) сплошного сверления при 4 s d s 30; 2) кольцевого
сверления при d 2 18 с образованием в центральной части отверстия
стержня, нз которого рекомендуется делать образцы для механичес-
ких испытаний заготовки вала по первой группе контроля. Подвод
СОЖ в зону резания по внутреннему или наружному каналу (рис.
18.5) под давлением 3...4 МПа, вымывающей стружку, улучшающей
процесс резания, уменьшающей трение направляющей части о стенки
отверстия. Сверление проводится с малыми подачами: 0,03...0,06
мм/об при скорости резания до 50 м/мин. Во время операции сверло
несколько раз выводится из отверстия для очистки от стружки. Для
сплошного сверления применяют однолезвнйные сверла (ТУ 2-0035-
655—79) с d ~ 4...20, I = 140... 1700 мм; лопаточные сверла с d =
= 20...85. Для кольцевого сверления в зависимости от диаметра —
одно-, двух- или многолезвийные расточные головки. Перед глубоким
сверлением рекомендуется засверлить н расточить начальный участок
отверстия для лучшего направления. При такой технологии увод
сверла с оси обычно не превышает 0,1...0,3 мм/м. Его исправляют
чистовой обработкой зенкерованием или точнее расточкой с припус-
ком 1 мм на диаметр. Рекомендуемый способ установки вала при
глубоком сверлении: в патроне и неподвижном люнете. Установку в
люнет проводят с выверкой (рис. 18.5, г) биения до 0,05...0,1.
Растачивание глубоких отверстий выполняют с аналогичной
установкой в патроне и неподвижном люнете, но с более высокой
точностью. Если установка в закаленных кулачках и самоцентрирую-
щем патроне дает биение до 0,1, то в сырых кулачках, проточенных
перед операцией, — до 0,03 мм. Другой вариант — установка в четы-
386
Рис. 18.5. Сверление глубоких отверстий диаметром до 30 мм (д), свыше 30 мм (б)
и расточка глубоких полостей (в); установка заготовки вала с выверкой (г)
рехкулачковый патрон (несамонентрирующий) с выверкой биения до
0,05. Точная регулировка кулачков люнета позволяет ограничить
около него биения до 0,03...0,05. Погрешности формы поверхностей
отверстий вдоль оси главным образом определяются неравномер-
ностью отжатия инструмента, жесткость которого ограничена боль-
шой длиной и малыми диаметрами отверстия вала. Чтобы минимизи-
ровать эти погрешности, на чистовых переходах обеспечивают посто-
янный припуск н вылет инструмента. При d < 70, I < 150, l/d < 5
отверстие растачивается резцом, непосредственно закрепленным в
резцовом блоке, суппорте или револьверной головке. При I > 150, d >
> 70, Ud > 5 — резцом, закрепленным в консольной резцедержавке.
При l/d >10 применяют расточные головки с направляющими колод-
ками.
Черновое растачивание ступенчатых отверстий валов выполняют
на токарно-револьверных станках. Чистовое растачивание отверстий
сложной формы удобно производить на станках с ЧПУ (рис. 18.6, п),
а в крупносерийном призводстве — на копировальных полуавтоматах.
После участки повышенной точности (выше 8 квалитета) обрабаты-
вают на прецизионных токарных или внутришлифовальных станках.
Точение наружных поверхностей. Черновое
точение наружных поверхностей валов производят на токарно-много-
резцовых полуавтоматах. Вал устанавливают на центрах и закрепля-
ют в поводковом патроне. Тяжелые валы (валы турбин, редукторов
13*
387

388
Рис. 18.6. Точение валов-.
на станке с ЧПУ (а — с автоматическим перезакреплением детали; б — с коррекцией
на износ инструмента; в — при обработке внутренних буртов); г — на многорезцовом
копировальном полуавтомате
и др.) закрепляют в трехкулачковом патроне по наружной повер-
хности, например по фланцу.
Чистовое точение наружных поверхностей у длинных валов произ-
водят на многорезцовых или токарных станках с применением люне-
тов для уменьшения прогиба детали. Применяется установка в цен-
трах, точность до 7 мкм. Если задний центр вращающийся (при
высокой частоте вращения), точность несколько снижается (до 15
мкм). Для передачи больших крутящих моментов используют повод-
ковые двухкулачковые патроны. Для большей надежности иногда
против кулачков фрезеруют лыски на глубину 0,5...0,7 припуска.
Используются две разновидности токарно-многорезцовых станков:
обычные (см. рис. 9.2) — в крупносерийном производстве и копиро-
вальные (рис. 18.6, г) — в серийном производстве. Первые резко
повышают производительность за счет одновременной обработки всех
наружных участков вала, но их иаладка продолжительна. Использо-
вание копиров сокращает время наладки, но с продольной подачей
одновременно работают здесь всего два суппорта с одним резцом на
каждом. Станки полуавтоматические, на них можно обрабатывать
валы длиной до 1500 мм. Достигаемая точность 7...9-Й квалитет.
Совместно работающие резцы продольных и поперечных суппортов
устанавливают так, чтобы их усилия резания максимально уравнове-
шивались. Для сокращения простоя станков на наладку сменные
резцовые блоки настраиваются вне станка. При чистовой операции
каждый участок поверхности вала обрабатывается своим резцом.
Резцы для обработки поверхностей большого диаметра (где скорости
выше) армируются твердым сплавом, для меньших диаметров доста-
точно резцов из быстрорежущей стали. Применяя широкие бреющие
резцы (например, для фасонных ступеней), достигают 6-й квалитет
точности.
Особенности обработки валов на стан-
ках с ЧПУ. На них рекомендуется в серийном и единичном
производствах выносить обработку валов после предварительной
обдирки. При неравномерном припуске на различных заготовках, не
прошедших обдирку, станок с ЧПУ будет требовать постоянного
внимания оператора. Зато после обеспечения более стабильного
припуска один оператор может обслужить несколько станков с ЧПУ.
В настоящее время на авиадвигателестроительных заводах черно-
вое и чистовое точение наружных и внутренних поверхностей валов
осуществляют раздельно или в одну операцию на обрабатывающих
389
центрах с программным управлением (на станках с ЧПУ 1Б732ФЗ,
MDW-20S, MDW-20SK, фирма ’’Макс Мюллер”, ФРГ). Однократная
черновая обточка на станке с ЧПУ обеспечивает 12-й квалитет
точности н Ra - 3,2...2,5 мкм. Чистовые переходы дают 7...9-й квали-
тет и Ra => 0,63 мкм. Одновременно за счет высокой концентрации
большого числа переходов, выполняемых за один установ, станки с
ЧПУ обеспечивают требования по точности взаимного расположения
поверхностей. На рис. 18.6, а дана характерная схема разделения на
инструментальные переходы (их последовательность указана номера-
ми) концентрированной операции, совмещающей расточку отверстия
и обточку наружной поверхности и торца вала турбины из жаропроч-
ного сплава ЭП741 за один установ. Конфигурация резцов, их ориен-
тация при наладке сменных резповых блоков и борштанг вне станка
зависят от формы обрабатываемого участка и условий доступа к
нему. Чтобы не оставалось заусенцев, обработку поверхности реко-
мендуется начинать с обработки фаски со стороны выхода резцов, а
канавки нарезать после чистовой обработки содержащей их повер-
хности. Специфика обработки жаропрочного сплава наглядно показа-
на на схеме траектории инструмента для расточки наиболее длинного
участка отверстия (в переходе на рис. 18.6, б). В точке б обработка
прерывается для контрольного замера обработанной поверхности с
коррекцией управляющей программы для учета износа резца. В
точках 12 и 21 режущие пластины принудительно меняются. При
точении длинных валов рекомендуется применять станки с ЧПУ, у
которых люнеты, как и резцы, могут по управляющей программе
автоматически подводиться к участкам вала, где дополнительная
опора даст наивыгоднейший эффект повышения точности с учетом
особенностей детали и принятой последовательности ее обработки.
Главные достоинства обработки валов на станках с ЧПУ: быстрая
наладка на изготовление новой конструкции любой сложности,
высокая стабильность параметров точности и состояния поверхнос-
тного слоя, возможность точной обработки в глубоких и труднодос-
тупных участках (рис. 18.6, в) полостей вала-
Точение канавок лабиринтного уплот-
нения. Канавки лабиринтного уплотнения обрабатывают точени-
ем раздельно, фасонным резцом или одновременно гребенкой, если
форма и размеры канавок позволяют ее применить. Для обработки
канавок используют универсальные токарные станки повышенной
точности или токарные станки с ЧПУ типа NE-300 (ФРГ). Эта
операция обычно выполняется в конце технологического процесса,
чтобы избежать повреждения гребешков при транспортировке. Повер-
хность лабиринтов предохраняют резиновой заглушкой.
390
9
Рис. 18.7. Повышение точности вала при шлифовании:
а — на разжимной центровой оправке; б — совмещенной
обработке поясков, галтелей и торцев
Шлифование базовых повер-
хностей (шеек). Базовые (посадочные)
поверхности валов шлифуют. Требуемая точ-
ность взаимного расположения наружных и
внутренних базовых поверхностей может быть
достигнута лишь в том случае, если посадка
вала на оправку будет осуществлена с мини-
мальным зазором. Для этой цели применяют
конусные и разжимные оправки с гидроплас-
тмассой (рис. 18.7, а), обеспечивающие быс-
трую и точную установку.
Валы иногда устанавливают на центровых
пробках, запрессованных в отверстия по его концам. Валы с отвер-
стиями небольшого диаметра устанавливают фасками на центрах.
Базовые поверхности вала (называемые иногда шейками) шлифу-
ют с одного установа, что обеспечивает их соосность. Шлифование
их разделяется на предварительное и окончательное. Короткие
шейки, ширина которых меньше ширины круга, шлифуют методом
врезания. При этом одновременно одним и тем же кругом обрабаты-
вают и шейку, и прилегающий к ней торец, а также соединяющую
их галтель, заправляя круг с помощью алмазного карандаша по
копиру. Чтобы создать более благоприятные для прочности галте-
лей условия шлифования с меньшим тепловыделением, рекомендует-
ся ось круга наклонять к оси вращения вала на угол а = 8...45°
(рис. 18.7, б). Угол увеличивают с возрастанием припуска и высоты
ступени (шлифуемого торца). Для автоматизации шлифования валов
в условиях мелкосерийного производства с частой сменяемостью
изделий целесообразно применение шлифовальных станков с ЧПУ,
391
включающих устройства автоподналадки и правки круга по управля-
ющей программе алмазным карандашом. При этом используются
данные автоматических измерений, также выполняемых по про-
грамме.
Размеры шлифуемых поверхностей контролируют иногда с по-
мощью устройств, позволяющих производить измерение на ходу
станка. Наиболее прогрессивным является активный метод контроля,
при котором размер обрабатываемой поверхности проверяется устрой-
ствами, автоматически управляющими работой стЪнка. Применение
Этого метода повышает качество обработки, производительность
операций шлифования и уменьшает брак валов.
Обработка шлицев. Прямоугольные и эвольвентные
наружные шлицы обычно фрезеруют на горизонтальных шлицефре-
зерных станках (типа 5У34) червячной фрезой (ГОСТ 8027—80)
методом обкатки. При нарезании шлицев с центрированием по
внутреннему диаметру зубья фрезы имеют по краям выступы-усики,
прорезающие во впадинах шлицев продольные канавки для выхода
кромки шлифовального круга. Шлицы ответственных валов после
фрезерования шлифуют, снимая припуск 0,3...0,5 мм на ширину
шлица. Шлифование прямоугольных и эвольвентных шлицев произ-
водят на шлицешлифовальных станках типа 352. Эту операцию чаще
всего производят профильным (по впадине между шлицами) кругом.
Абразивный круг правят по форме с помощью накатных роликов при
медленном вращении круга или алмазами с помощью правильных
приспособлений — пантографов, на рабочих оборотах. При числе этих
шлицев не выше шести их впадины шлифуются одним профильным
кругом (рис. 18.8, а}. При большем числе шлицев каждая из трех
поверхностей впадины шлифуется своим кругом (в разных впадинах).
Все три круга посажены на одну оправку. По сравнению с одним
профильным кругом увеличен угол оправки кругов для боковых
граней — повышаются их стойкость и точность профиля шлицев. При
центрировании по наружному диаметру боковая поверхность зубьев
шлифуется двумя кругами на бакелитовой связке для предотвраще-
ния выкрашивания их острой кромки. Как при фрезеровании, так и
при шлифовании шлицев вал устанавливают отверстием на центро-
вую оправку или непосредственно на центровые фаски. Точные
сквозные и несквозные шлицы можно нарезать блочными протяж-
ками.
Торцевые шлицы обычно нарезают на фрезерных или специаль-
ных шлицестрогальных станках, снабженных точными делительными
устройствами. В последнее время на заводах отрасли торцевые шли-
цы обрабатывают методом глубинного шлифования на специальных
станках (’’Микрокат В10”, фирма "Эльб-шлиф”, ФРГ).
392
б)
Рис. 18.8. Обработка шлицев:
а — шлифованием; б — блочной протяжкой
Внутренние шлицы обрабатывают долблением (методом обкатки),
строганием (копирования), прошивкой, а при возможности сквозного
прохода инструмента и протягиванием. Методы обработки эвольвен-
тных поверхностей, имеющихся в эвольвентных шлицах, изучались
в гл. 12. (Более подробно см. в гл. 19.) Для этой цели удобны станки
с горизонтальным шпинделем, имеющим полость для помещения в
нее вала.
Обработка резьбы. Резьбу обрабатывают в конце
последнего этапа. Мелкую резьбу шлифуют непосредственно по
гладкой поверхности многониточными или однониточными (точную
резьбу) кругами, а крупную — вначале фрезеруют, а затем шлифуют.
В ряде случаев резьбу на валах нарезают на токарных станках
фасонным резцом.
Отделка гладких шеек валов. На операциях
отделки шеек достигают высокой чистоты поверхности. Перед отдел-
кой шейки должны быть точно обработаны, так как отделка не
исправляет в достаточной мере погрешности формы и размеров.
Отделку производят инструментом с использованием абразивных
зерен, например притиранием или суперфинишированием (см. под-
разд. 9.2). Последний метод наиболее совершенный.
Для отделки шеек (посадочных поверхностей) начинает находить
все возрастающее применение метод алмазного выглаживания (более
подробно см. подразд.. 9.2).
Отделка отверстий. Чаще всего для чистовой отделки
отверстий применяют внутреннее шлифование и хонингование (см.
подразд. 10-3). Для отделки внутренней полости валов перспектив-
ным является метод экструзионного хонингования.
393
18.4.	ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
ВАЛОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
Для повышения ресурса и надежности работы валов ГТД
можно использовать следующие технологические методы воздействия
на физико-химическое состояние поверхностного слоя основных
рабочих поверхностей: деформационное упрочнение, цементирование,
азотирование и ионное легирование.
Деформационное упрочнение поверхностного слоя валов осущес-
твляют различными методами: вибрационными, обкатыванием,
струйным, ультразвуковым и др. Для каждого конкретного случая,
в зависимости от типоразмеров валов и предъявляемых требований,
должен быть определен оптимальный метод упрочнения. Небольшие
валы упрочняют вибрационным методом "вновал” или с закреплени-
ем деталей, валы длиной до 300 мм — струйно-механическим мето-
дом на установке типа ГРП-300, валы длиной до 600 мм — ультраз-
вуковым методом, валы длиной до 1500 мм — на струйно-пневмати-
ческой установке типа УДП-1.
Валы всех типоразмеров можно упрочнять обкатыванием и алмаз-
ным выглаживанием. Упрочнение обкатыванием обеспечивает шеро-
ховатость поверхности до Ra - 0,16 мкм, значительный по величине
наклеп, остаточные напряжения сжатия, повышение усталостной
прочности на 20...25 %. Обкатываются не только сами валы, но и
галтели, снижая этим эффект концентрации напряжений.
Алмазное выглаживание значительно повышает усталостную
прочность и износостойкость деталей. Замена абразивной обработки
алмазным выглаживанием избавляет от прижогов и абразивных
зерен, шаржированных в поверхность, создает наклеп глубиной
0,2...0,4, остаточные напряжения сжатия, высокую чистоту повер-
хности.
Внутренние полости валов глубиной до 2000 мм и диаметром
40...300 мм упрочняют струйно-пневматическим методом.
О цементировании и азотировании рабочих поверхностей валов
см. подразд. 5.4 ("Химико-термическая обработка’’). Ионное легиро-
вание (см. подразд. 5.6). Его внедрение в серийное производство
валов ГТД сдерживается отсутствием промышленных образцов
импланторов.
18.5.	ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ВАЛОВ
Диаметры шеек валов проверяют скобами и микрометра-
ми, диаметры отверстий — пробками н индикаторами для внутреннего
измерения, наружную резьбу — скобами, кольцами и микрометрами,
внутреннюю резьбу — резьбовыми пробками.
394
Точность взаимного расположения рабочих и базовых поверхнос-
тей проверяют специальными измерительными приспособлениями с
индикаторами. Устанавливают валы обычно базовыми поверхностями
на призмы.
Толщину стенок валов сложной формы проверяют с помощью
ультразвукового прибора УТ-бОЗ.
Шероховатость поверхностей проверяют визуально, сравнивая с
контрольными образцами ГОСТ 9373, 60845-068.
Качество деформационного упрочнения микрошариками торцевых
шлицев вала ТВД (см. рис. 18.2) проверяют по прогибу имитатора
(образец — пластина 70*20*1,2 мм, ’’свидетель”), закладываемого
вместе с валом в камеру для упрочнения.
Поверхностные дефекты типа волосовин и микротрещин иа на-
ружных в внутренних поверхностях валов проверяют магнито-
порошковым методом с помощью магнитного дефектоскопа типа
УМДЭ-1000.
Внутренние дефекты материала валов контролируются ультразву-
ковыми дефектоскопами типа УД2-12.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Как конструкция вала определяет рациональный метод получения его заготовки?
2.	Чем отличаются планы обработки цементируемых и только термоулучшаемых
валов?
3.	Основные задачи чернового, чистового и окончательного этапов обработки валон?
4.	Какие установочные базы применяют при обработке валов?
5.	Как устраняют заусенцы при обточке на станках с ЧПУ?
6.	Зачем наклоняется ось вращения круга при совмещенном шлифовании шейки
вала и ее торца?
ГЛАВА 19. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
19.1	. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛЫ
И ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Зубчатые передачи играют важную роль в двигателях и
трансмиссиях современных самолетов в качестве самостоятельных
или встроенных редукторов, трансформирующих обороты и крутящие
моменты в главных приводах и коробках агрегатов.
На зубчатые колеса распространяются общие требования к дета-
лям двигателей: работа с высоким ресурсом и надежностью при
условии малой массы и компактности, высоких рабочих напряжениях
и разнообразных режимах эксплуатации.
395
Высокими оборотами, свойственными двигателям, определяются
на входных ступенях редукторов высокие окружные скорости венцов
зубчатых колес. При низких оборотах на выходе требуется создание
многоступенчатых и разветвленных передач, в том числе с планетар-
ными ступенями.
Разнообразие самолетов по назначению, типам и размерам приво-
дит к необходимости иметь двигатели и трансмиссии с различными
конструкциями зубчатых передач.
Сложность, конструктивное и функциональное разнообразие
зубчатых передач, требования высокой надежности в условиях высо-
ких рабочих напряжений являются характерной особенностью авиа-
ционных зубчатых передач по сравнению с передачами в изделиях
других машиностроительных отраслей.
Классификация зубчатых передач и колес. Зубчатые передачи и
колеса по назначению и технологи-
ческим признакам различаются сле-
дующим образом:
силовые редукторы - тяжелонаг-
руженные тихоходные и высокос-
коростные (v > 40...60 м/с, р =
= 200...400 кг/см) и среднеско-
ростные (v = 15...60 м/с, р <
< 200 кг/см), где р — нагрузка на
1 мм длины зуба;
коробки агрегатов — средненагру-
женные высокоскоростные и сред-
нескоростные;
по виду нагружения на зубья —
одностороннее и двухстороннее;
по форме зубчатых колес — дис-
ковые, хвостовые н блочные;
по видам термохимической обра-
ботки — цементированные, нитро-
цементированные и азотированные;
по видам чистовой обработки
зубьев — шлифованные (хонинго-
ванные и нехонингованные) с после-
дующим деформационным упрочне-
нием (виброгалтовка, дробеструйная
Рис. 19.1. Цилиндрическое прямозубое
дисковое колесо. Сталь 12Х2НФА-ВД, т -
“ 3,5 мм, z 36, а - 25, степень точности по
ОСТ 141671-77, 7-6-6-И
396
Рис- 19.2. Цилиндрическое хвостовое зубчатое колесо с дуговыми зубьями. Сталь
12Х2НВФА-ВД, т = 3,5 мм, z = 17, а - 25', степень точности 7-6-6-И по ОСТ
141671—77
IWtO.l
Рис. 19.3. Коническое зубчатое колесо с дуговыми зубьями. Сталь 12Х2НВФА-ВД,
т = 3,6 мм, z = 46, а ~ 20, степень точности 6-5-5 по ОСТ 141671—77
397
обработка); нешлифованные — зубофрезерованные, зубостроганные
и зубодолбленные (притертые и непритертые).
В авиадвигателестроении используются четыре вида передач:
цилиндрическими колесами с внешними и внутренними зубьями и
коническими колесами с прямыми и круговыми зубьями. Примеры
типичных конструкций зубчатых колес (шестерен) авиационных ГТД
приведены на рис. 19.1, 19.2, 19.3.
Применяемость зубчатых колес по видам передач распределяется
примерно следующим образом: цилиндрические зубчатые колеса с
внешними зубьями составляют 85...90 % общего количества, из них
около 99 % — прямозубые (дисковые, рис. 19.1 и хвостовые, рис.
19.2); цилиндрические колеса с внутренними зубьями, почти исклю-
чительно прямозубые, составляют 3...4 %; конические прямозубые
— 6—7 %; конические с круговыми зубьями (рис. 19.3) — около 1 %.
Для многих изделий удельный вес цилиндрических колес с внут-
ренними зубьями и конических колес с круговыми зубьями значи-
тельно выше приведенного, и они иногда определяют вид ряда ступе-
ней и передач.-
Силовые цилиндрические колеса внешнего зацепления имеют
следующие параметрические и размерные характеристики:
число зубьев z - 15... 134 (около 15 % колес имеют число зубьев
меньше 20);
модули скоростных тяжелонагруженных колес лежат в диапазоне
1,75—5 мм, а модули тихоходных, тяжелонагруженных колес не
превышают 10 мм;
ширина венца b и диаметр колес лежат в следующих параметри-
ческих границах: — = 6,5—14,5; —— = 0,08...0,88; — =0,08—0,45,
т	mz	А
где z — число, зубьев, т — модуль, мм; А — межосевое расстояние,
мм.
Цилиндрические зубчатые колеса с внешними зубьями силовой
группы имеют максимальные диаметры до 1150 мм и модули 1,0...
10 мм.
Цилиндрические зубчатые колеса с внешними зубьями несиловой
группы имеют максимальные диаметры не больше 400 мм и модули
0,5—5 мм. Среди них значительное число колес с числом зубьев
меньше 20.
Цилиндрические зубчатые колеса с внутренними зубьями имеют
диаметры делительных окружностей 80... 1000. мм и модули 1,5—8 мм.
Прямозубые конические колеса имеют Диаметры делительных
окружностей в пределах 20...300 мм и модули 0,5—7 мм.
Конические колеса с круговыми зубьями имеют диаметры 50...
700 мм и модули 15—10 мм.
398
0,03... 0,05мм
Фланк 0,02... 0f 05мм
Рис. 19.4. Модификация поверхности зубьев:
а — корригированный профиль зуба с положительным сдвигом; б — фланкированный
профиль зуба; в — бочкообразный зуб
Для улучшения эксплуатационных показателей зубчатых колес
все более широко применяют модификацию поверхности зубьев:
корригирование и фланкирование эвольвентного профиля зубьев,
бочкообразность формы зуба и др. (рис. 19.4).
Модификацию поверхности зубьев обычно осуществляют перед
термообработкой при зубофрезеровании, зубострогании, зубодолбле-
нии и зубошевинговании.
Силовые цилиндрические колеса большей частью корригированы,
имеют фланкированные зубья.
Точность зубчатых колес. Точность изготовления зубчатых колес
регламентируется допусками по следующим стандартам.
ГОСТ 1643—-81, ГОСТ 13755—81 на цилиндрические эвольвентные
колеса с модулями от 1 до 50 мм и диаметрами делительной окруж-
ности до 5000 мм, содержащими обозначение отклонений и допуски
разных степеней точности, боковые зазоры. ГОСТ 1643—81 распро-
страняется на зубчатые колеса с исходным контуром по ГОСТ 13755,
в котором даны отклонения и допуски для десяти степеней точности
с 3 по 12-ю.
ГОСТ 1758—81, ГОСТ 19326—73 на конические колеса с модулями
от 1 до 55 мм и диаметрами делительной окружности до 4000 мм
(обозначения отклонений и допуски для разных степеней точности).
ГОСТ 1758—81 так же, как на цилиндрические, устанавливает две-
надцать степеней точности. Однако так как изготовление точных
конических зубчатых колес значительно труднее, чем цилиндричес-
ких, невозможно нормировать допуски для 3-й степени точности и
399
поэтому нормируются требования на конические колеса с 4-й до 12-й
степени точности. Допуски для конических передач с модулем до
1 мм приведены в ГОСТ 9368-81, ГОСТ 3675-81, ГОСТ 18498-73
на червячные передачи. В каждом из этих ГОСТов установлено 12
степеней точности, но на некоторые степени (первые) допуски еще
не разработаны. Каждая степень точности содержит нормы трех
видов: кинематической точности, плавности работы колеса и контак-
та зубьев зубчатых колес в передаче. Кроме того, независимо от
степени точности установлены нормы бокового зазора для шести
видов сопряжения (шесть рядов точности А, В, С, D, Е и Н}, опреде-
ляющих наименьший (гарантированный) боковой зазор между зубья-
ми. В стандарте приняты следующие виды сопряжений для передач:
Н — с нулевым гарантированным зазором; Е — с особо малым; D —
малым; С — с уменьшенным; В — с нормальным; А — с увеличенным
боковым зазором. В большинстве случаев применяют передачи с
нормальным боковым зазором В.
Разрешается комбинировать степени точности по' трем нормам для
лучшего удовлетворения эксплуатационным требованиям и облегче-
ния производства колес.
Точность изготовления зубчатых колес условно обозначается
следующим образом. Ст. 7 — по ГОСТ 1643—81 означает: колесо 7-й
степени точности по ГОСТ 1643—81 с боковым зазором по сопряже-
нию В. При необходимости точность одного колеса может быть
задана разными степенями точности. Так, например, Ст. 5-4-4-В по
ТОСТ 1643—81 означает: колесо 5-й степени кинематической точнос-
ти, 4-й степени-по плавности работы и 4-й степени по контакту
зубьев (по ГОСТ 1643—81) с боковым зазором по сопряжению В.
Кинематическая точность определяется: кинематической погреш-
ностью т/; накопленной погрешностью окружного шага (по колесу)
Fp\ радиальным биением профилей зубчатого венца /у; колебанием
длины общей нормали колебанием межосевого расстояния за
оборот колеса тА; погрешностью обкатки Fc.
Нормы плавности работы колеса определяют величину составляю-
щих полной погрешности угла поворота зубчатого колеса, многократ-
но повторяющихся за полный его оборот. В эти нормы входят по-
грешности профиля ff, основного шага fpf}, колебания межосевого
расстояния при повороте на один зуб f-Jокружного шага fpt и др.
Нормы контакта зубьев определяют точность выполнения относи-
тельных размеров пятна контакта в зубьях пары сопряженных колес.
В эти нормы входят следующие параметры: размер отпечатка повер-
хности по краске, перекос зубьев, непарал дельность и перекос осей.
400
Примерно такие же нормы точности и боковые зазоры между
зубьями введены в ГОСТы на конические колеса и червячные пере-
дачи.
Материалы зубчатых колес и химико-термическая обработка. В
[ двигателестроении шестерни изготавливаются в основном из сталей
I 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 12Х2НВФА (ЭИ712), 14ХГСН2МА (ДИ-ЗА),
20ХЗВМФ (ЭИ415). В* последнее время для шестерен, работающих
при температурах до 450 °C, применяют сталь 16ХЗНВФМБ (ДИ-39).
Тяжелонагруженные ответственные шестерни из этих сталей
применяются в цементированном состоянии. Малонагруженные
шестерни небольших размеров подвергаются нитроцементации или
цианируются; в ряде случаев шестерни изготавливают из азотируе-
мых сталей типа 30Х2Н2ВА и азотируют на небольшую глубину.
Глубина слоя нитроцементации (цианирования) и азотирования
должна назначаться в зависимости от марки стали в соответствии с
ОСТ 1.90005-74.
Глубина слоя цементации назначается также в соответствии с
указанным стандартом, а также в зависимости от модуля в соответ-
ствии с ОСТ 1.41467—73. Глубина слоя цементации указывается в
чертеже для шестерен:
с модулем 1,5...2,0 .	................. 0,4...0,7 мм;
с модулем 2.0...2.5.................... 0,6...1,0 мм;
с модулем 2,5...5,0.................... 1,2...1,6 мм;
с модулем свыше 5,0.................... . более 1,6 мм.
Основной дефект, возникающий при термической и химико-тер-
мической обработке шестерен, — коробление, источником которого
являются остаточные напряжения. Остаточные напряжения возника-
ют вследствие фазовых превращений и больших температурных
градиентов, появляющихся в деталях сложной формы с резким
переходом по толщине.
Для обеспечения стабильности форм и размеров шестерен в про-
цессе термической и химико-термической обработки: •
необходимы возможно более полная симметрия зубчатого венца
относительно диафрагмы и связанных с венцом элементов, пропорци-
ональность детали и ее конструктивных элементов в осевом диамет-
ральном направлениях, отсутствие развитых отверстий, близких к
венцу и др.;
нежелательно наличие цементированных или цианированных
внутренних шлицев вследствие трудности получения требуемой
размерной точности.
При выборе марки стали, вида химико-термического упрочнения
зубьев и глубины цементированного слоя необходимо учитывать
следующее:
401
газовая цементация.зубчатых колес обеспечивает заданную глуби-
ну цементированного слоя на зубьях равномерно по всем поверхнос-
тям, включая дно впадины, с допуском 0,2 мм;
цементация в твердом карбюризаторе обеспечивает глубину слоя
на зубьях с допуском 0,2 мм, на дне впадины глубина слоя на 0,1 мм
меньше;
в среднем на зубьях с модулем до 5 мм колебание припуска на
боковых сторонах достигает 0,1 мм. Поэтому глубина' цементирован-
ного слоя по боковым сторонам зубьев не может быть выдержана
точнее 0,3 мм. На шлифованных впадинах зубьев колебание припус-
ка достигает 0,20...0,25 мм.
Технологичность зубчатых передач и колес. При проектировании
зубчатых колес должны быть максимально удовлетворены технологи-
ческие требования по применению наиболее эффективных и произво-
дительных средств и методов изготовления.
Выбор вида зубчатой передачи. Зубчатые
колеса должны проектироваться с учетом имеющегося зубообрабаты-
вающего оборудования.
Прямозубые колеса с внешними зубьями наиболее распространены
в двигателестроении и для колес диаметром до 800 мм достаточно
полис обеспечены современными видами зубообрабатывающего
оборудования.
Зубчатые колеса внутреннего зацепления обеспечены менее
надежными и точными средствами производства и измерения, а
косозубые колеса внутреннего зацепления с твердыми поверхностями
вообще не обеспечены зубошлифовальным оборудованием.
Конические прямозубые колеса проще рассчитываются, налажива-
ются, а при умеренных нагрузках надежны в работе- и просты в
доводке, могут быть прошлифованы с высокой точностью. Они осо-
бенно удобны для мелкосерийного производства, так как требуют
минимальных первоначальных затрат.
Для зубообразования конических колес с круговыми зубьями
требуется комплект специализированного оборудования, состоящего
из зуборезных, зубошлифовальных, зубопритирочных и обкатных
станков, станков для заточки и шлифования резцовых головок для
них.
Точность и качество выпускаемого оборудовайия для конических
колес ниже точности и качества оборудования для цилиндрических
колес, поэтому следует принимать такие конструктивные решения,
которые позволяют не применять конические пары или сводят их
применение, к единичным случаям.
Выбор уровня нагруженности зубьев ко-
лес. Многолетний опыт проектирования, производства и эксплуата-
402
ции силовых зубчатых колес в двигателях показал, что наиболее
эффективная технология производства напряженных зубчатых колес
повышенного ресурса и надежности должна обеспечивать;
точность зубчатых колес по нормам плавности и контакта до 5-й
степени (в отдельных случаях до 4-й степени с одновременным
фланкированием, а при необходимости — с профильной и продольной
модификацией зубьев (учитывающих действительную деформацию
под нагрузкой);
высокое качество поверхностного слоя цементированных колес
после зубошлифования и отсутствие шлифовочных прижогов, изго-
товление зубьев с оптимальной геометрией нешлифованного основа-
ния зубьев при шероховатости поверхности не ниже Ra = 2,5...
1,25 мкм;
высокое качество цементации и закалки зубьев, оптимальное
содержание углерода в цементированном слое, твердость сердцевины
и поверхностного слоя, размера зерна, структуру.
Выбор параметров передачи по напряжениям является определя-
ющим фактором, влияющим на технологичность деталей.
Выбор модуля зубьев шестерен. Имеющийся
парк зубообрабатывающих станков в отрасли позволяет выбирать
модуль зубьев колес 0,5...! О мм для большинства видов зацепления.
Наибольшее число видов станков, особенно зубошлифовальных, по
технологическим возможностям, точности, производительности
предназначены для обработки цилиндрических зубчатых колес внеш-
него зацепления с модулем 0,5...4,0 мм. Для конических колес с
круговыми зубьями модулем меньше 2 мм отечественная станкостро-
ительная промышленность зубошлифовальных станков не выпускает.
Разнообразие модулей в конструкции колес требует большой
номенклатуры режущего и мерительного инструмента, стоимость
которых составляет около 50 % стоимости колес. Кроме того, разные
модули делают более трудоемкими переналадки станков и менее
мобильным производство.
Выбор числа зубьев. Для обеспечения минимальной
массы зубчатых передач и их компактности конструкторы выбирают
зубчатые колеса с минимальным числом зубьев, поэтому во многих
изделиях большой удельный вес колес с малым числом зубьев.
При выборе числа зубьев необходимо руководствоваться следую-
щими основными положениями.
Для зубчатых колес всех видов имеется зависимость угла развер-
нутости профиля от числа зубьев: с уменьшением числа зубьев угол
развернутости профиля увеличивается, например, для колеса с z =
= 19, т = 2,25 и а = 20° угол развернутости равен 28°, а для сопря-
женного колеса с z = 41 угол развернутости равен 14° и т.д. Это
403
приводит к тому, что на станках, работающих методом обкатки,
кинематические и циклические погрешности станка переносятся в
максимум^ на профиль и шаг зацепления малозубых колес.
Для ответственных и высоконагруженных передач не рекоменду-
ется применять колеса с числом зубьев меньше 23...25. Если приме- I
няются колеса с меньшим числом зубьев, то рекомендуется назначать |
нормы точности на профиль и шаг зацепления на степень грубее,
компенсируя пониженную точность конструктивным усилением
детали или повышением точности сопряженной детали. В противном
случае конструкция является нетехнологичной.
Большинство зубообрабатывающих станков, в том числе и зубош-
лифовальных, рассчитано на диапазон чисел зубьев от 12 до 150. При
выборе числа зубьев меньше или больше указанного необходимо
знать о наличии на серийном заводе станков, способных обрабаты-
вать эти зубчатые колеса.
Выбор норм точности на зубчатый венец.
Нормы точности на зубчатый венец являются важными конструктив-
но-технологическими характеристиками, выбор которых предопреде-
ляет технологию производства, а также надежность и ресурс работы
передачи.
Точность зубчатых венцов высоконагруженных и высокоскорос-
тных цилиндрических колес внешнего зацепления обычно выбирают
по степени точности 6-5-5 или 7-6-6. В процессе доводки на ресурс
зубчатые венцы достигают 4-й степени точности по нормам плавнос-
ти и контакта.
Точность тихоходных высоконагруженных колес не увеличивается
или увеличивается на одну степень (по сравнению со скоростными
средненагруженными), поскольку при высокой напряженности и
малой скорости обеспечивается почти статическое приложение на-
грузки.
Для зубчатых колес коробок приводов и агрегатов, работающих в
широком диапазоне окружных скоростей, а иногда и температур,
точность цилиндрических колес назначают на одну степень грубее
вышеуказанных.
Нормы точности на силовые нешлифованные конические колеса
обычно назначают по степени 7-7-7 по ОСТ 1.41667—77, а на шлифо-
ванные на одну степень точнее.
Выбор параметров эвольвентных шлицев.
Шлицевые эвольвентные соединения широко применяют в зубчатых
механизмах и трансмиссиях двигателей.
При проектировании шлицевых соединений необходимо руковод-
ствоваться следующими основными положениями:
404
желательно сокращать число типоразмеров шлицевых соединений
в двигателе (типоразмер шлицев — принятое число шлицев одного
модуля). Это уменьшает расходы на сложный режущий, мерительный
и вспомогательный инструмент (шлицевые протяжки, калибры,
оправки);
шлицевые соединения по ряду модулей, по размерным соотноше-
ниям в зубьях, ряду применяемых чисел зубьев и нормам точности
должны соответствовать действующим нормативным документам;
при выбранном диаметре делительной окружности шлицев произ-
водительнее и экономичнее нарезать шлицы с увеличенным числом
зубьев, т.е. с уменьшенным модулем;
конструктивно необходимо обеспечивать возможность обработки
внутренних шлицев протягиванием, что производительнее и точнее,
чем зубодолбление, а наружных шлицев — по тем же причинам зубо-
фрезерованием и вместо зубодолбления.
Правильно выбрав параметры передачи и зубчатых колес с учетом
их функциональной и технологической оптимальности, далее необхо-
димо конструктивно обеспечить реализацию этих параметров в
производстве с приемлемыми затратами и с учетом реальных возмож-
ностей серийных заводов. Для этого рекомендуется:
при конструктивном оформлении чертежа детали обязательно
произвести оценку поверхностей о возможности их использования в
качестве технологических баз на всех операциях технологического
процесса, особенно обработки зубьев, мест под подшипники, резьб,
шлицев;
независимо от вида зубчатого колеса необходимо предусмотреть
совмещение конструктивных и технологических баз. Это обеспечит
возможность контроля колес на той же производственной оснастке
при переборках двигателей, ремонте, восстановлении деталей и т.д.;
для колес с хвостовиками обязательно предусмотреть центровые
фаски, выходящие иа гладкие отверстия и торцы;
для обеспечения необходимой жесткости при зубообработке и на
других операциях размеры центральных отверстий, ступицы и опо-
рных поверхностей должны быть пропорциональны диаметру дели-
тельной окружности. Следует избегать малых посадочных отверстий
и чрезмерных консолей;
независимо от вида зацепления необходимо обеспечить выход
шлифовальных кругов стандартных форм и размеров при обработке
зубьев;
посадочные места быстроходных хвостовых колес шлифовать на
прецизионных круглошлифовальных станках с поворотной бабкой
периферией абразивного круга.
405
Технологичность зубчатых колес из штампованных заготовок. В
авиадвигателестроении зубчатые колеса изготовляют из штамповок.
Подавляющее большинство зубчатых колес в двигателях, с точки
зрения получения рациональных штампованных заготовок, техноло-
гичны. Однако имеются и нетехнологичные конструкции. К ним
относятся цельные зубчатые колеса с длинными хвостовиками,
развитым диаметрально зубчатым венцом, расположенным в средней
части хвостовика; цельные колеса с двумя венцами при тонкой и
сравнительно длинной шейке между ними; дисковые колеса с боль-
шими диафрагмами и т.д. У подобных зубчатых колес необходимо
предусматривать отъемные венцы. Цельные конструкции целесооб-
разны только для зубчатых передач, изготавливаемых в небольших
количествах.
19.2	. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Высокая точность зубчатых колес авиадвигателей и
обязательная химико-термическая обработка накладывают определен-
ные условия на построение технологического процесса их изготовле-
ния. Так, например, на всех цилиндрических и конических прямозу-
бых колесах зубья необходимо шлифовать на точных зубошлифоваль-
ных станках. Наружные и внутренние шлицы обычно (за редким
исключением) не цементируются и обрабатываются на последних
операциях технологического процесса. Предохранение нецементиро-
ванных поверхностей от проникновения углерода при цементации
обеспечивается припуском, снимаемым прямо после цементации до
закалки, или омеднением нецементируемых поверхностей. Предохра-
нение омеднением более выгодно, так как в этом случае детали
закаливаются прямо после цементации без промежуточной механи-
ческой обработки. Операции зубонарезания обычно проводятся перед
омеднением, цементацией и закалкой, а иногда после омеднения всей
детали (кругом). В этом случае упрощается процесс омеднения и
улучшается чистота поверхности зубьев перед цементацией, но из-за
возможных повреждений (царапины, забоины и пр.) омедненных
поверхностей такой порядок обработки применяют редко и только на
тех деталях, в которых допускается точечное вкрапливание углерода,
или когда эти поверхности в дальнейшем шлифуются.
Заготовки зубчатых колес получают ковкой в штампах под
молотом, на горизонтально-ко в очных машинах (ГКМ) и на прессах.
Исходным материалом для заготовок является круглый прутковый
материал.
406
Вид заготовки и метод ее изготовления определяются ее материа-
лом, фермой, размерами и объемом выпуска. Типовой технологичес-
кий маршрут изготовления кованых и штампованных заготовок:
очистка металла от. поверхностных дефектов, разрезка на мерные
части, нагрев заготовки, осадка и штамповка заготовки за несколько
рабочих ходов, пробивка отверстий у колес-дисков, обрезка облоя,
термообработка. Наиболее производительным методом изготовления
заготовок зубчатых колес является высадка на ГКМ.
Для сокращения механической обработки и увеличения прочности
иногда заготовки зубчатых колес делают с зубьями. Такие заготовки
можно штамповать в штампах, но более выгодно получать их горя-
чим накатыванием или прессованием через фильеры. Горячее нака-
тывание зубьев на стальных заготовках производится накатниками
при совместном их вращении.
Заготовки зубчатых колес после штамповки подвергают нормали-
зации или отжигу и снятию окалины.
Припуски на обработку определяются по нормали РТМ 588 и ОСТ
1.41187—72. Обычно они укладываются в 3...6 мм на диаметр, но в
заготовках из азотируемой стали для "арантированного снятия обе-
зуглероженного поверхностного слоя, снижающего качество азотиро-
вания, припуски на 2...3 мм увеличивают.
Механическая обработка зубчатых колес делится на три этапа:
черновой, чистовой и отделочный.
Черновой этап состоит из обдирочных операций, на которых
снимается до 60...70 % всего припуска на обработку. На этом этапе
достигается равномерное распределение припусков на дальнейшую
обработку и удаляются дефекты на поверхностях заготовок.
В чистовом этапе снимается до 30 % величины припуска и дета-
лям придается окончательная форма. На этом этапе используются
станки повышенной точности. В чистовой этап входят операции
зубонарезания.
Отделочный этап включает операции, обеспечивающие заданную
точность н чистоту рабочих и базовых поверхностей.
Последовательность операций внутри каждого этапа определяется
в основном выбором технологических баз.
Отверстия в ступицах и другие облегчающие выемки обычно
обрабатывают в чистовом этапе до закалки. Шлицы, резьбу и шпо-
ночные канавки во избежание их повреждения при транспортировке
обрабатывают после закалки. Антикоррозионные покрытия наносят
после окончательного контроля.
Место термообработки определяется ее видом, а
также формой и размерами колес; Цементацию и закалку делают в
конце чистового этапа, при этом на некоторых поверхностях оставля-
407
ют увеличенный припуск на последующую обработку. Увеличенный
припуск на цементированных поверхностях и их омеднение
полностью гарантируют от проникновения углерода при цементации
в поверхность мелких шлицев и в резьбу детали.
Для уменьшения коробления дисковых и других нежестких зубча-
тых колес, и особенно цементированных, иногда закалку производят
в штампах на закалочных прессах, которые удерживают деталь от
коробления при их охлаждении.
Крупные азотируемые колеса кроме обычных закалки и отпуска
в заготовке или после чернового этапа подвергают еще и стабилизи-
рующему отпуску после чистового этапа для снятия остаточных
напряжений, возникших в процессе чистовых операций механической
обработки. Азотируют обычно между предварительным и оконча-
тельным шлифованием или притиранием зубьев и в некоторых
случаях (когда зубья нельзя шлифовать) после шевингования.
Предварительное шлифование перед азотированием позволяет
уменьшить припуск на отделочную операцию и этим сохранить
высокую твердость на поверхности зуба.
Технологические базы. Основными технологическими базами
обычно являются наружные и внутренние цилиндрические базовые
(посадочные) поверхности, торцы и центровые фаски. В, ряде случаев
колеса устанавливают по профилю зуба на шарики, ролики или
зубчатые сектора. Так поступают для восстановления технологичес-
ких баз после термообработки, для обработки посадочных цилиндри-
ческих поверхностей (конструкторских бай), особенно в случае
использования их в качестве установочной базы для обработки зуба.
В качестве примера построения технологического процесса изго-
товления зубчатых колес ниже приведены основные этапы этих
процессов для цилиндрической и конической шестерен коробки
приводов ГТД.
•Основные этапы технологического процесса изготовления
цилиндрического прямозубого цементируемого колеса
(см. рис. J9.2)
Сталь 12Х2НВФА-ВД (ЭИ712); т = 3,5 мм; z = 17; а = 25°. Сте-
пень точности по ОСТ 14167-77 Ст. 7-6-6-И.
1.	Заготовка-штамповка (рис. 19.5). Термообработка — нормализа-
ция. Очистка заготовки от окалины травлением.
2.	Черновое точение наружного контура шестерни, подрезка
торцев, сверление (растачивание) отверстия, точение центровых
фасок (рис. 19.6; 19.7); токарный станок ПУ, SPR63NC-1 (Чехия).
408
Рис. 19.7. Черновое точение длинного хвостовика и сверление отверстия
409
0,35*%05
Рис. 19.8. Фрезерование зубьев шестерни
3.	Чистовое точение базовых (посадочных) поверхностей колеса;
токарный станок.
4.	Фрезерование зубьев шестерни (рис. 19.8); зубофрезерный
станок.
5.	Меднение нецементируемых поверхностей. Цементация, закал-
ка и отпуск. Твердость цементированных поверхностей HRC > 50,
нецементированной зоны HR С 32...42,5.
6.	Восстановление технологических баз (центровых фасок); токар-
ный станок.
7.	Чистовое точение наружных поверхностей шестерни (рис. 19.9);
токарный станок с ПУ SPS25NC-1.
8.	Шлифование базовых поверхностей и диаметра зубчатого
венца. Круглошлифовальный станок.
9.	Окончательное точение наружного контура и растачивание
внутренней полости колеса (рис. 19.10). Токарный станок с ПУ
Рис. 19.9. Чистовое точение наружных поверхностей шестерни
410
Рис. 19.10. Окончательное растачивание внутренней полости шестерни
Рис. 19.il. Точение центровых фасок
10.	Точение центровых фасок (восстановление технологических
баз) (рис. 19.11), токарный станок.
11.	Шлифование диаметра зубчатого венца (технологической
базы); круглошлифовальный станок.
12.	Шлифование наружных поверхностей колеса; круглошлифо-
вальный станок.
13.	Растачивание отверстия под шлицы; токарный станок.
14.	Фрезерование лысок (пазов, выемок, сверление облегчающих
отверстий и др.); вертикально-фрезерный станок (сверлильный
и др.).
15.	Протягивание внутренних эвольвентных шлицев: т — 1,0 мм,
z=18; сс = 30°; горизонтально-протяжной станок.
411
0,25max
16.	Шлифование зубьев шестерни (рис. 19.12); зубошлифоваль-
ный станок.
17.	Окончательный контроль шестерни.
18.	Оксидофосфатирование.
Технологический процесс изготовления азотируемых шестерен
практически такой же, как и для шестерен с цементируемыми зубья-
ми. Отличие его состоит лишь в том, что операция азотирования
предусматривается в этапе окончательной обработки шестерни.
Азотированию обычно предшествует окончательное шлифование
базовых поверхностей, предварительное шлифование (или шевинго-
вание) зубьев с оставлением припуска на окончательное шлифова-
ние, лужение поверхностей, не подлежащих азотированию.
Наилучшие результаты получаются при изотермическом режиме
азотирования с температурой 520...540 °C и выдержкой 35...40 ч.
Основные этапы технологического процесса изготовления
конической шестерни с круговыми зубьями
(см. рис. 19.3). Сталь 12Х2НВФА-ВД (ЭИ-712ВД), т = 3,6 мм,
. z — 46; а — 20*, степень точности Ст. 6-5-5
1.	Заготовка — штамповка (рис. 19.13). Термообработка — закал-
ка, отпуск.
2.	Черновое точение наружных и внутренних поверхностей,
подрезка торцев; токарные станки с ПУ SPR63NC (Чехия).
3.	Шлифование базовых поверхностей шестерни; круглошлифо-
вальный станок.
4.	Чистовое точение контура зубчатого венца; токарный станок с
ПУ SPS25NC1,(Чехия).
412
Рис. 19.13. Штамповка для конической шестерни. Термообработка — нормализация.
Сталь 12Х2НВФА-ВД (ЭИ712ВД). (В скобках указаны чистовые размеры.)
Рис. 19.14. Фрезерование зубьев шестерни (А — профиль впадины зуба в нормаль-
ном сечении)
5.	Фрезерование зубьев шестерни (рис. 19.14); зубофрезерный
станок.
6.	Фрезерование фаски по торцам зубьев; фрезерный станок с ПУ,
6520.
413
Рис. 19.15. Окончательное точение внутренней полости шестерни
7.	Контроль внешнего вида, шероховатости, геометрии шестерни
и магнитный контроль поверхностных дефектов материала.
8.	Меднение нецементируемых поверхностей. Цементация, закал-
ка и отпуск зубьев шестерни. Глубина слоя 0,95... 1,15 мм; твердость
цементированной зоны HRC 50...64, нецементируемой — HRC 32...42.
9.	Шлифование базовых поверхностей шестерни. Круглошлифо-
вальный станок.
10.	Окончательное точение внутренней полости шестерни
(рис. 19.15); токарный станок с ПУ SPS25NC (Чехия).
11.	Окончательное точение раздельно правой и левой сторон
контура диафрагмы шестерни; токарный станок с ПУ SPS25NC1.
12.	Точение центровых фасок (восстановление технологических
баз).
13.	Фрезерование пазов, лысок; вертикально-фрезерный станок.
14.	Шлифование резьбы; резьбошлифовальный станок.
15.	Шлифование базовых поверхностей шестерни; кругошлифо-
вальный станок.
16.	Долбление внутренних шлицев (т = 2, z = 51, а = 30°); зубо-
долбежный станок.
414
Рис. 19.16. Шлифование зубьев шестерни
17.	Шлифование центровых фасок (восстановление технологичес-
ких баз); внутришлифовальный станок.
18.	Окончательное шлифование базовых поверхностей шестерни;
технологическая база — центровые фаски; круглошлифовальный
станок.
19.	Шлифование зубьев шестерни (рис. 19.16), зубошлифовальный
станок ”Глисон-463”.
20.	Стабилизирующий отпуск: температура нагрева 250±Ю °C;
время выдержки 3...3,5 ч; охлаждение на воздухе.
415
21.	Подбор пары зубчатых зацеплений. Комплектование детали в
пару с сопряженной шестерней по отпечатку краски по зубу и по
зазору с сопряженной шестерней (0,30...0,52 мм).
22.	Окончательный контроль, в том числе ЛЮМ-1 и магнитный.
23.	Оксидофосфатирование.
19.3.	ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Обработка до нарезания зубьев колес. Обработкой до
нарезания зубьев колесам придают в основном форму, заданную
чертежом. При этом особое внимание обращают на точность обработ-
ки технологических баз.
Рис. 19.17. Наладка токарно-револьверного станка на обработку заготовки зубчатого
колеса	\
416
Рис. 19.18. Наладка многорезцового станка на черновую обточку заготовки
В зависимости от объема выпуска, формы и размеров колес их
обрабатывают на токарных, токарно-револьверных, токарно-много-
резцовых станках, на многошпиндельных полуавтоматах и автома-
тах, на многооперационных станках с программным управлением.
В серийном производстве мелкие и средние зубчатые колеса чаще
обрабатывают на токарных станках с ПУ (см. рис. 19.6, 19.7, 19.9,
19.10, 19.15) и на токарно-револьверных (рис. 19.17).
При больших масштабах производства внешние поверхности и
торцы обрабатывают на многорезцовых полуавтоматах типа 1730
(рис. 19.18), на многопшиндельных полуавтоматах типа 1282 и на
других подобных станках.
Технологические базы зубчатых колес, отверстия или наружные
цилиндрические поверхности хвостовиков обрабатывают под зуборез-
ные операции шлифованием по 6...7 квалитету. Иногда небольшие
отверстия обрабатывают протягиванием или развертыванием.
Для достижения более точной установки колеса на зуборезной
операции опорный торец и цилиндрическую базовую поверхность
обрабатывают с одной установки.
Нарезание цилиндрических колес. В авиадвигателестроении зубья
цилиндрических колес нарезают по методу обкатки. В зависимости
от формы и размеров колеса для этой цели применяют зубострога-
льные, зубофрезерные и зубодолбежные станки.
14 Зак 1398
417
Зусострогание является малопроизводительным методом
обработки. при котором затрачивается много времени на пересопря-
жение режущего инструмента (рейки) в процессе обкатки. Поэтому
для нарезания цилиндрических зубчатых колес этот метод применя-
ют редко. Его обычно используют для нарезания шевронных зубча-
тых колес с елочным зубом. Строгание шевронных зубчатых колес на
станках "Комсомолец” типа 515 производится двумя гребенками с
6...8 косыми зубьями реечного профиля. Шевронные зубья не шлифу-
ют. Единственным методом отделки их после термообработки (цемен-
тации и закалки или азотирования) является притирка, поэтому
нарезание зубьев должно быть выполнено не ниже 6-й степени
точности. Для этого посадка колеса на оправку должна быть с мини-
мальным зазором.
Для повышения точности обработки зубья нарезают за несколько
проходов. Например, колесо с модулем 7 мм нарезают в три прохода.
В условиях серийного производства последний проход обычно выделя-
ют в отдельную операцию и выполняют на более точном станке.
Зубофр. езерование наружных цилиндрических колес
с прямыми и косыми зубьями производится на зубофрезерных стан-
ках Егорьевского станкостроительного завода ’’Комсомолец” (53А50,
53А80, 53А11), Витебского станкостроительного завода (53А30П,
53АЗЗФ4), фирм ’’Пфаутер” (ФРГ), ’’Лоренц” (ФРГ), ’’Глисон”
(США), ”Чима" (Италия) и др. Режущим инструментом являются
червячные фрезы: однозаходные по ГОСТ 9324—80, многозаходные
и специальные. На станках ’’Комсомолец” различных моделей можно
нарезать колеса с модулями .до 15 мм. Косозубые цилиндрические
колеса нарезают теми же стандартными червячными фрезами с
включенным на станке дифференциальным устройством, позволяю-
щим получить спиральное направление зубьев. Зубофрезерование
можно применять только тогда, когда на пути врезания и выхода
фрезы нет помех.
При обработке зубчатое колесо устанавливают на оправку зубо-
фрезерного станка с зазором 0,02...0,04 мм, выверяя на станке биение
оправки индикатором с точностью 0,01...0,015 мм. Для повышения
точности установки применяют гидропластмассовые оправки с цилин-
дрической тонкостенной втулкой.
Плоские колеса без ступицы устанавливают на оправку по не-
сколько штук. Это повышает производительность зубонарезания.
Числд проходов при зубофрезеровании зависит от модуля и точ-
ности колеса. Колеса с модулем до 2,5 мм нарезают за один проход,
с модулем до 6 мм — за два прохода и с модулем 6... 10 мм — за три
прохода.
418
Рис. 19.19. Нарезание зубьев
червячной фрезой с поднутре-
нием под шлифованием
В практике зубофрезе-
рования цилиндрических
колес применяют одно- и
двухзаходные червячные
фрезы. Наибольшую точ-
ность дает однозаходная
фреза. При использовании
двухзаходной фрезы на
режимах резания со ско-
ростью и подачей одноза-
ходной фрезы число обо-
ротов детали удваивается,
вследствие чего повыша-
ется производительность обработки. Однако при двухзаходной фрезе
уменьшается число резов, приходящихся на обработку одной стороны
профиля и поэтому точность и шероховатость обработанной повер-
хности снижаются. По этой причине двухзаходные фрезы применя-
ются только для предварительной обработки зубьев.
Для фрезерования зубчатых колес поднутрением, зубья которых
шлифуются только с боковых сторон, применяются специальные
червячные фрезы с утолщенной головкой зуба (рис. 19.19). Утолще-
ние на высоте h^, полученное в результате уменьшения угла профиля
инструмента ап на 1...5°, позволяет поднутритъ зуб колеса на глубину
0,2...0,25 мм. После шлифования такого зуба поднутрение может
быть несимметричным и целиком переходить на одну сторону зуба,
но не выступать на другой стороне за пределы эвольвенты.
Цилиндрические зубчатые колеса можно также нарезать червяч-
ной фрезой и на горизонтальных зуборезных станках типа 534. Такие
станки особенно удобны для нарезания зубьев или шлицев на деталях
с длинной хвостовой частью.
При больших масштабах производства выгодными становятся
многошпиндельные зубофрезерные станки с двумя, четырьмя и
шестью шпинделями, на каждый из которых можно устанавливать
одно или несколько одинаковых или разных зубчатых колес.
Зубодолбленйе цилиндрических колес производят на
вертикальных зубодолбежных станках ’’Комсомолец” типа 512, 5А12,
5В12, 5М14, 516, фирм ’’Феллоу” (США), ’’Лоренц” (ФРГ), а также
на горизонтальных зубодолбежных станках фирмы ’’Фарелл” (США).
Станки 5А12 и 5В12 имеют четыре ступени двойных ходов штосселя
14*
419
Рис. 19.20. Долбление зубь.ев на зубодолбежных станках:
а — с внутренними зубьями; б — блочных; в — косозубых наружного зацепления
от 250 до 600 в минуту и широко используются в промышленности.
Для нарезания кодес с длинной хвостовой частью приспособлены
станки фирмы ’’Фарелл”.
Зубодолблением можно нарезать прямые и косые зубья наружного
и внутреннего зацепления (рис. 19.20). При нарезании косых зубьев
шпиндель с закрепленным на нем долбяком совершает возвратно-
поступательные винтовые движения по направлению зуба колеса.
Для этой цели на головку шпинделя станка устанавливают копир с
винтовой канавкой. При этом долбяк также должен быть крсозубым.
Применяют долбяки разной формы и с разным числом зубьев,
предусмотренные ГОСТ 9323—79, а также и специальные.
Зубья колеса 6 и 7-й степеней точности с модулями от 2 до 4 мм
нарезаются за два прохода, а при больших модулях — за три прохода
и более. Последний окончательный проход желательно делать в
Отдельной операции долбяком повышенной точности.
Колеса 8 и 9-й степеней точности до модуля 2,5 мм нарезаются за
один проход, а с модулями выше 2,5 мм — за два прохода.
Окружную подачу (5окр) принимают от 0,15 до 0,30 мм за двой-
ной ход долбяка. Шероховатость поверхности при этой подаче соот-
ветствует Ra — 5...1.25 мкм.
При выборе метода зубонарезания рекомендуется пользоваться
графиком рис. 19.21, где по оси х отложена длина зуба по образую-
щей цилиндра Zj, а по оси у — отношение машинного времени зубоф-
резерования 7ф к времени зубодолбления Тд. Кривые построены для
колес с модулями 2...8 мм и сохранением равных скоростей резания
при фрезеровании и долблении зубьев. Из графика видно, что зубья
малых модулей с большими Zj и больших модулей с малыми Zj выгод-
но нарезать долбяком, так как отношение 7ф/Гд > 1. Зубья больших
модулей с большой длиной выгодно фрезеровать червячной фрезой,
так как 7ф/Гд < 1.
420
Рис. 19.21. График уравнительной произ- -г
водительности при зубофрезеровании и ₽
зубодолблении
W
Корригированные цилиндри-
ческие зубчатые колеса со сме-
щенными профилями нарезаются V
обычными стандартными червяч-
ными фрезами и зуборезными
долбяками. При этом правиль- а>9
ность эвольвентного профиля
сохраняется, а размеров высоты
зуба и радиального зазора в паре °>7
колес нарушается. Это нарушение
возникает от несоответствия изменений межцентрового расстояния
пары сопряженных колес и их радиусов окружностей впадин. .
При больших смещениях профилей величина изменения высоты
зуба и радиального зазора может оказаться настолько значительной,
что исключит возможность сборки пары зубчатых колес или их
эксплуатацию.
Для обеспечения заданных высоты зуба и радиального зазора в
паре колес необходимы указания в рабочих чертежах о виде режу-
щего инструмента (червячная фреза или долбяк), о размере высоты
головки (от делительной окружности), а для долбяков — о числе их
зубьев. Если этих указаний в чертеже нет, то при нарезании колес
со смещенными профилями необходимо на первой детали (или на
образце) проверять размер диаметра окружности впадин. При нареза-
нии колес без смещенного профиля долбяками с большим смещением
профиля необходимо на образцах проверять радиальный зазор в
паре.
Фланкирование зубьев цилиндрических колес или срезание боко-
вых поверхностей с головки зубьев осуществляется червячной фрезой
или зуборезным долбяком с двойными углами профилей по ГОСТ
9323—79. Такие инструменты с двойными углами профилей требуют-
ся и при шлифовании, шевинговании, хонинговании и притирании
зубьев.
При отсутствии режущих инструментов с двойными углами флан-
кированные зубья можно получать за две операции. Вначале зубья
обрабатываются обычными инструментами без фланка,, а затем
профильными инструментами (типа модульной фрезы) методом
копирования снимается фланк с двух сторон одновременно. Снимать
фланк можно и методом обкатки, но для этого требуется изготовить
специальные червячные фрезы или долбяки со сложным профилем.
421
Рис. 19.22. Круглая протяжка с
подвижным зубчатым сегментом
Круговое протя-
гивание применяется
для нарезания прямозубых
цилиндрических колес в
крупносерийном и массовом
производстве. Сущность
этого процесса заключается
в нарезании зубьев методом
копирования круглой про-
тяжкой с автоматическим
делением колеса во время
ее вращения при неизмен-
ном положении осей про-
тяжки и нарезаемого цилин-
дрического колеса. Протяж-
ка (рис. 19.22) имеет круглый корпус 1 с закрепленными зубчатыми
сегментами 2 для предварительного прорезания и подвижным (по
направлению стрелок) зубчатым сегментом 4 для окончательного
прорезания. Каждый зуб этого сегмента при вращении протяжки
движется по прямой вдоль основания впадииы зуба нарезаемого
колеса. Это движение обеспечивается копирным механизмом. Шаг
между зубьями подвижного сегмента делается больше ширины обода
зубчатого колеса, поэтому впадина между зубьями по всей ее длине
одновременно прорезается только одним зубом протяжки. После
выхода первого зуба в резание вступает второй зуб и т.д. Деление
зубчатого колеса на шаг происходит в момент, когда свободный
промежуток между сегментами 3 находится над зубчатым колесом.
Все колеса, обработанные таким способом, подвергаются последующе-
му шевингованию. После шевингования колеса получаются 7-й
степени точности и с шероховатостью Ко == 0,63 мкм.
Нарезание конических зубчатых колес. В авиадвигателестроении
для нарезания прямозубых конических колес применяют два основ-
ных метода: метод копирования и метод обкатки.
Метод копирования. Профиль зуба колеса образуется
профилем инструмента, режущая часть которого соответствует форме
впадины зубьев нарезаемого колеса. В качестве режущего инструмен-
та применяют дисковые и пальцевые модульные фрезы, профильные
резцы и другие инструменты. После нарезания получается прибли-
женный профиль, поэтому в большинстве случаев этот метод приме-
няют для чернового нарезания зубьев.
422
В условиях единичного и мелкосерийного производства его приме-
няют при изготовлении зубчатых колес передач 9... 11-й степени
точности на универсально-фрезерных станках с применением дели-
тельных устройств. При использовании этого метода на специальных
станках с применением специального режущего инструмента достига-
ется высокая производительность, удовлетворяющая условиям мас-
сового производства. Например, нарезание одной впадины зубьев
круговым протягиванием зуборезной протяжкой большого диаметра
производят за один оборот в течение 3...5 с.
Метод обкатки. В настоящее время он является основным
для изготовления конических колес с прямыми зубьями. При нареза-
нии методом обкатки профиль зуба образуется путем зацепления
обрабатываемого колеса с воображаемым производящим колесом.
Прямые режущие кромки зубострогальных резцов или зубья диско-
вых фрез во время движения обкатки воспроизводят боковые повер-
хности зубьев производящего колеса. Нарезание конических колес с
прямыми зубьями методом обкатки производят на зубострогальных
станках двумя резцами и зубофрезерных двумя дисковыми фрезами.
Строгание — универсальный метод, обеспечивающий высокую
точность, производительность станка сравнительно низкая. На стан-
ках нормальной точности достигается 7...8-я степень точности, а на
станках повышенной точности —6...7-я (ГОСТ 1758—81). Зубостро-
гальные станки имеют механизм для образования бочкообразности по
длине зуба. Бочкообразность составляет 0,02...0,05 мм на сторону
зуба и зависит от длины зуба. Этот метод широко применяют в
единичном и мелкосерийном производстве.
Нарезание зубьев двумя дисковыми фрезами на зубофрезерных
станках характеризуется высокой производительностью и применяет-
ся в серийном и массовом производстве.
Прямозубые конические колеса авиационных двигателей с моду-
лями от 2 до 8 мм нарезают обычно в две операции. В первой, черно-
вой, операции прорезают впадины на всю глубину зуба без обкатки,
оставляя припуск на вторую, чистовую, операцию 0,5... 1,0 мм по
толшине зуба. Во второй операции профиль зуба нарезают оконча-
тельно с обкаткой. В некоторых случаях нарезание с обкаткой делают
в два прохода. Этим обеспечивается точность обработки.
При малых масштабах производства черновое нарезание зубьев
производят модульными фрезами на горизонтально-фрезерных стан-
ках с помощью универсальных делительных приспособлений, а также
на зубострогальных станках, но без обкатки. При большом объеме
производства черновое нарезание производят несколькими модульны-
ми фрезами на станках ’’Комсомолец” типа ЕЗ-1 или скоростном
полуавтомате ЕЗ-40.
423
Рис. 19.23. Строгание зубьев конического
колеса двумя резцами с обкаткой
Чистовое нарезание прямых зубьев конических колес производят
по методу обкатки на зубострогальных станках ’’Комсомолец” типа
5236П (мелкомодульные), 5С276П, 5С286 (среднемодульные); иа
станках фирм ’’Глисон” 710, 434, ’’Клингельберг” (ФРГ) BF203 и
другими зубострогальными резцами по ГОСТ 5392—80Е. Резцы
выбираются по модулю нарезаемого колеса и по размеру зубостро-
гального станка. Установленные на станке два резца строгают
одновременно две стороны одного зуба по схеме, приведенной на
рис. 19.23. Три положения резцов А, В и С соответствуют началу,
середине и концу обработки одного зуба с двух сторон при обкатке
в одну сторону (вверх). В следующий момент все движения обкатки
реверсируются и такой же цикл обкатки идет вниз. После двух
обкаток резцы выходят из зацепления с зубом и происходит автома-
тическое деление на следующий зуб. Весь цикл двойной обкатки
повторяется для каждого последующего зуба колеса. При второй
обкатке (снизу вверх) происходит автоматическое врезание резцов в
424
Рис. 19.24. Нарезание спиральных
конических зубчатых колес методом
обкатки
заготовку и снимается припуск
по толщине зуба около 0,2 мм.
Процесс строгания на этих ста-
нках полностью автоматизиро-
ван, но является прерывистым,
с потерей времени на холостые
ходы резцов и на пересопряже-
ние. Этим объясняется сравни-
тельно низкая их производи-
тельность.
Криволинейные (дуговые)
зубья конических колес нареза-
ют черновыми и чистовыми
круглыми резцовыми головками
(рис. 19.24) на станках ’’Комсомолец” 5С26В, 5С26П, 5С263, 5С270П
и фирмы ’’Глисон” — 440, 613, 641 и др. Резцовые головки бывают
цельные (ГОСТ 11902—77) и сборные: чистовые — ОСТ 2И45-4—79,
ОСТ 2И45-5-79 и черновые ОСТ 2И45-12-86, ОСТ 2И45-13-86;
одно- и двухсторонние. Односторонние обрабатывают только одну
(выпуклую или вогнутую) сторону зубьев колеса; двусторонние
обрабатывают обе стороны зуба одновременно.
Черновое нарезание производят двусторонними головками, на
которых почти в два раза больше зубьев, чем на чистовых. Чистовое
нарезание производят тремя способами: односторонним, простым
двухсторонним и двойным двухсторонним. При одностороннем спосо-
бе каждая сторона зуба нарезается своей головкой в одной операции.
При простом двухстороннем способе зубья большого сопряженного
колеса нарезаются двухсторонними головками, а зубья малого сопря-
женного колеса — двумя односторонними головками. При двойном
двухстороннем способе зубья двух сопряженных колес нарезаются,
двухсторонними головками. Наиболее точное сопряжение пары
зубчатых колес получается при одностороннем способе, но произво-
дительность в этом случае ниже, чем при других способах. Менее
точное сопряжение получается при третьем способе, зато производи-
тельность его самая высокая. Этот способ применяют тогда, когда
число зубьев обоих парных колес одинаково или разнится на немно-
го.
425
Рис. 19.25. Шевингование зубьев цилиндрических колес круглым шевером
Отделка зубьев. В зависимости от формы, твердости и требуемой
точности зубья колес окончательно отделывают шевингованием,
шлифованием, притиранием и хонингованием.
Шевингование зубьев (рис. 19.25) применяется для
отделки профиля зуба наружных и внутренних цилиндрических
колес с прямыми и косыми зубьями. Инструментом служит металли-
ческий или абразивный шевер. Металлическими дисковыми шевера-
ми шевингуют колеса с твердостью HRC < 36.
В практике авиадвигателестроения применяются дисковые шевера
по ГОСТ 8570—80Е с модулями от 2 до 8 мм, диаметром делительных
окружностей 180 и 240 мм и углами наклона зубьев 5 и 15°. Изготав-
ливают их из быстрорежущей стали Р18 с твердостью HRC 62...65.
В процессе резания, возникающего от скольжения режущих
кромок зубьев шевера по боковой стороне зуба колеса, срезается
тончайший слой металла (стружка толщиной 0,001...0,005 мм),
вследствие чего шероховатость обработанной поверхности составляет
до Ra - 0,40...0,10 мкм.
Наружные зубья шевингуют на станках 5701, 5Б702В, 5В702ВФ2,
5Б703 (Витебский станкостроительный завод), фирм ”ТОС Челакови-
це” (Чехия) OSP12, OS25; ’’Черчилль” (Англия) GS8, GS12; ”Хург”
(ФРГ) ZSA220, ZCA320 и др.
При шевинговании прямозубых и косозубых колес ось шевера
устанавливается под углом 5 или 15° (по углу зуба шевера) к направ-
лению обрабатываемого зуба колеса.
Колеса при шевинговании устанавливают отверстием на центро-
вую оправку с наименьшим зазором (0,010...0,015 мм) или на цен-
тровые фаски хвостовика. Колеса с короткими хвостовиками устанав-
ливают на оправку с внутренним посадочным отверстием. Шевер,
находясь в беззазорном зацеплении с колесом, вращается со ско-
426
ростью 100...300 об/мин. Вращение шевера и колеса каждый раз (за
один продольный ход стола) реверсируется. Скорость продольного
хода стола в среднем-0,25 мм за один оборот детали. Врезание шеве-
ра в тело колеса осуществляется радиальной подачей на один двой-
ной ход стола.
Рекомендуемые режимы шевингования для колес с модулем 3...10
мм из сталей с твердостью НВ = 170...320: окружная скорость шевера
v = 150... 100 м/мин, подача продольная = 0,2...0,5 мм/об колеса
и радиальная подача 5рад = 0,02...0,05 мм/прод.ход стола. Припуск
на шевингование (0,1—0,2 мм) снимается за 10... 12 рабочих двойных
ходов стола, затем дается еще 4...8 ходов без радиальной подачи для
выхаживания.
Шевингование производится с обильной подачей смазочно-охлаж-
дающей жидкости (10... 15 л/мин), обеспечивающей вымывание
мелкой стружки из канавок зубьев шевера. Зубья шеверов повторно
затачивают на зубошлифовальных станках. Число возможных по-
вторных заточек шевера при правильной его эксплуатации 5... 10.
Точность шевингования зависит от точности шевера и точности
предварительного нарезания зубьев колеса. Шевингованием можно
повысить точность колеса примерно на одну степень (по нормам
плавности их работы и контакта зубьев). С помощью качающегося
приспособления можно получить бочкообразную форм}- зуба. Величи-
на качания должна обеспечивать разность толщины зуба между его
серединой и концами в 0,02...0,4 мм.
При шевинговании колес с твердостью HRC > 58 применяют круг-
лые шеверы с абразивным зубчатым венцом. Конструкция абразивно-
го шевера такая же, как к металлического, но без канавок на зубьях
этого шевера.
Абразивный шевер в течение 1...2 мин повышает чистоту обработ-
ки на 2...3 класса и может обработать до полного своего износа
1500...2000 колес среднего размера с модулем 3 мм. Изношенный
шевер не восстанавливается. Припуск на абразивное шевингование
очень мал — 0,01—0,02 мм на сторону, поэтому зубья колеса необхо-
димо шеви нго вать металлическим шевсром до закалки. Время шевин-
гования колеса с модулем 3...4 мм, числом зубьев 25...35 и шириной
обода 20 мм — 30...40 с.
Шлифование наружных и внутренних зубьев колес осу-
ществляют методом копирования и методом обкатки.
Зубья закаленных цилиндрических колес шлифуют методом
обкатки червячным шлифовальным кругом с непрерывным делением,
а также коническим’ двусторонним кругом и двумя тарельчатыми
кругами с периодическим делением. Методом копирования зубья
шлифуют профильным кругом, деление периодическое.
427
Рис. 19.26. Схема зубошлифования чер-
вячным кругом
Шлифование зубьев червяч-
ным кругом (рис. 19.26). Осевое
сечение круга — исходная зубча-
тая рейка. При этом способе об-
работки для зубчатых колес од-
ного модуля необходимо приме-
нять круг соответствующего мо-
дуля.
В отрасли используются сле-
дующие зубошлифовальные стан-
ки с червячным кругом: 5Д831,
5Д833, 5Д833Д (Егорьевский
станкостроительный	завод),
фирм ’’Рейсхауер” (Швейцария) NZA/OZO, AZA/AZO, RZ30/S
’’Чепель” (Венгрия) FK-306-10; ”ТОС Челаковице” (Чехия) ОВР-25
и др.
На станках с червячным кругом обработку выполняют, непрерыв-
но вращая инструмент и заготовку. Перед чистовыми и рабочими
ходами автоматически производится осевое перемещение круга.
Многозубые колеса можно шлифовать многозаходными червячными
кругами. Обеспечена профильная и продольная модификация зубьев
колес. Точность обработки достигает 3...4 степени по ГОСТ 1643—81.
Шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,63 мкм. Стойкость
абразивных кругов, определяющая точность зубчатых колес по
нормам плавности их работы, ограничена, в частности, модулем. В
настоящее время этим методом обрабатывают зубчатые колеса с
т $ 8 мм. Алмазные и эльборовые круги применяют для повышения
размерной стойкости и уменьшения опасности возникновения прижо-
гов на шлифуемых зубьях.
Ориентировочные режимы шлифования червячными кругами: чер-
новое шлифование — радиальная подача Sp = 0,04...0,08 мм/раб.ход,
вертикальная подача S™ = 1,5...3,0 мм/об; чистовое шлифование —
Sp = 0,01—0,02 мм/раб.ход; Snp = 0,2—0,4 мм/об.
Шлифование зубьев профильным кругом. Наиболее распространен-
ными станками, работающими по методу копирования, являются
станки МСЗ моделей 5А868, 5А868Д, фирм ’’Либхер” (ФРГ) SE400,
’’Мичиган Тул” (США) GG16X18FA, GGG16X18FA и др. На этих
станках за один рабочий ход обрабатывается вся впадина между
зубьями (рис. 19.27) (иногда одна сторона впадины), правка круга
производится несколько раз’ за цикл обработки одного колеса. Произ-
водительность станка высокая, но точность обработки относительно
428
Рис. 19.27. Схема зубошлифования
профильным кругом
низкая (6-я степень точности по
ГОСТ 1643—81). При этом меха-
нические свойства поверхностно-
го слоя зубьев в значительной
мере зависят от колебаний усло-
вий обработки. Станки с про-
фильным кругом применяют
только в крупносерийном произ-
водстве. Станки большинства моделей предназначены для обработки
только прямозубых колес.
При шлифовании профильным кругом шлифуемые зубья кон-
тактируют с кругом по 'всему контуру впадины зубьев и
происходит снятие большого количества металла, поэтому веро-
ятность появления прижогов на обрабатываемых зубьях намно-
го больше, чем при шлифовании другими методами. Поэтому
режимы шлифования профильным кругом подбирают особенно тща-
тельно.
Ориентировочные режимы зубошлифования профильным кру-
гом: черновое шлифование — радиальная подача 5р == 0,10...
0,18 мм/раб.ход, продольная подача 5^ == 6...7 м/мин; чистовое шли-
фование — S’p = 0,01—0,015 мм/раб.ход и 5пр = 2...4 м/мин, число
рабочих ходов 1...3.
Шлифование зубьев коническим двусторонним кругом методом
обкатки с периодическим делением.
Шлифование зубьев колес этим
способом осуществляется на стан-
ках 5М841, 5М841Ф11 (Москов-
ский завод шлифовальных стан-
ков), фирм ’’РейСхауер” (Швейца-
рия) RKZ400, "Хефлер” (ФРГ) и
др. На этих станках шлифовальный
круг сорершает быстрое возвратно-
поступательное движение адоль
зуба заготовки по всей длине (рис.
19.28), а заготовка — вращательное
и поступательное движения обкат-
Рис. 19.28. Схема шлифования профилей
зубьев коническим кругом:
а — раздельного; б — одновременного
429
ки по Зубьям воображаемой рейки, один из Зубьев которой представ-
ляет собой шлифовальный круг.
Существуют два способа шлифования коническим кругом:
шлифовальный круг в первой половине обкаточного движения
шлифует только одну сторону профиля зуба, а во второй половине
— ДРУГУЮ, затем происходит деление на следующий зуб;
шлифовальный круг обрабатывает обе стороны профиля во время
обката в одну сторону, после чего происходит деление на следующий
зуб и во время обкатки в другую сторону шлифуются обе стороны
профиля второго зуба.
Правку шлифовального круга проводят алмазным зерном по
профилю зуба исходной рейки прямолинейно или с модификацией.
Особенности станков для шлифования цилиндрических колес
коническим кругом — большая универсальность, простота обслужива-
ния, простота профилирования шлифовального круга и возможность
обработки зубчатых колес с большими диаметром и модулем.
Производительность станков с коническим кругом ниже, чем
станков с профильным кругом, но точность обработки выше. Режимы
шлифования колес средних модулей и диаметром коническим кругом
при чистовой обработке колес с числом зубьев z ~ 20...30: подача
обкатки = 0,25...0,95 мм/дв.ход и радиальная подача = 0,01...
0,2 мм/рао.ход.
Зубошлифование тарельчатыми кругами. Для зубошлифования
методом обкатки с периодическим делением двумя тарельчатыми
кругами используют станки Московского завода шлифовальных
станков моделей 5А851, 5А853 и фирмы ”Мааг” (Швейцария) моде-
лей SD-36, SD-65 и др. В процессе обработки шлифовальные круги
совершают только вращательное движение (рис. 19.29, а), а
а)	S)
Рис. 19.29. Схема зубошлифования тарельчатыми кругами
430
заготовка — возвратно-поступательное движение подачи 5пр и движе-
ние обкатки сор В процессе обработки плоские алмазы периодически
касаются режущих кромок шлифовальных кругов при износе, превы-
шающем 1...2 мкм, круги перемещаются в положения, которые они
занимали до изнашивания.
Шлифовальные круги могут занимать различные положения
относительно обрабатываемой заготовки колеса: параллельно друг
другу на расстоянии, равном длине общей нормали w обрабатываемо-
го колеса (рис. 19.29, а); под углом 20°, т.е. параллельно образующей
исходной зубчатой рейки (рис. 19.29,-б); под углом, не равным 20°.
Шлифование осуществляется без применения смазочно-охлаждаю-
щей жидкости. Профильная и продольная модификации зубчатых
колес обеспечиваются благодаря согласованности движения обкатки
и перемещения шлифовальных кругов.
Абразивные круги для зубошлифования. Дли зубошлифования
рекомендуется использовать круги из белого электрокорунда (24А)
и хромотитанистого электрокорунда (93А) классов АА и А . Зернис-
тость шлифовальных кругов выбирают исходя из требований, предъ-
являемых к качеству поверхности зубьев шлифуемого колеса. При
повышенных требованиях к шероховатости применяют крути с мень-
шим номером зернистости, при шлифовании колес силовых передач
применяют круги зернистостью до номера 40. В остальных случаях
номер зернистости выбирают исходя из требований чертежа колеса.
Твердость круга оказывает влияние как на его работоспособность,
так и на качество обрабатываемой поверхности. Для шлифования
колес со средним модулем (2...6 мм) рекомендуется применять круги
твердости СМ1...СМ2, а при обработке червячным кругом с мелким
модулем (0,2...0,8 мм) — твердость С1, СМ2, с увеличением зер-
нистости круга его твердость нужно снижать.
В табл. 19.1 приведены параметры абразивных кругов,, рекоменду-
емых для зубошлифования цилиндрических колес.
Высокие требования к точности изготовления зубчатых колес
заставляют особенно внимательно выбирать приспособления для их
установки. Чаще всего на зубошлифовальных станках колеса уста-
навливают без зазора на конусные оправки или разжимные оправки
с гидропластмассой.
Шлифование зубьев прямозубых конических колес. Для шлифова-
ния зубьев конических колес используют станки модели 5870
(ЭНИМС), работающие одним кругом с продольной подачей. Есть
Шлифовальные круги общего назначения изготовляют трех классов точности АА,
А и Б, различающиеся предельными отклонениями размеров круга.
431
Таблица 19.1
Параметры абразивных кругов для зубошлифования
Тип круга по ГОСТ 2424-83	МодутТь шлифуемого колеса	Параметры круга (структура N 8, связ- ка К7)		
		Материал	Зернистость	Твердость
Червячный из круга пря-	1,0...0,75	24А. 93А	10...16	СМ2, СМ1
мого профиля ПП	2...4		12...20	СМ1, М3
	5...6		16...25	СМ1, М3
	7...8		20...32	М3
С двусторонним коничес-	1...3	24А	16... 25	СМ2, СМ1
ким профилем 2П	3...5		25...32	СМ1
	5...12		32...40	М3, М2
С коническим профилем зп	1...16	24А	25	СМ1
Тарельчатый Т	2...4	24А	12...16	СМ2
	4...8		16...25	СМ1
	8...12		25...40	М3, М2
станки, работающие двумя кругами для одновременного шлифования
обеих сторон зубьев: 5870М, фирм ’’Глисон” (США) 105, ”Мааг”
(Швейцария) KS-42, ’Тарбек” (ФРГ) 60-TS и др.
'Особенность станков, работающих одним абразивным кругом,
заключается в том, что вначале шлифуют одну сторону всех зубьев,
а потом, после переналадки станка — другую сторону. Из-за сложнос-
ти переналадки для шлифования другой стороны целесообразно на
эту операцию наладить второй такой же станок.
Особенность станков, работающих без продольной подачи (модель
105 ’’Глисон”), состоит в том, что на этих станках движение шлифо-
вального круга вдоль впадины отсутствует и поэтому основание
впадины зуба, обработанное образующей шлифовального круга,
получается вогнутым. Указанная вогнутость впадины при большом
диаметре круга и малой ширине зубчатого венца (до 35 мм) практи-
ческого значения не имеет и поэтому в дальнейшем она не исправля-
ется.
Станки KS-42 С’Мааг”) обеспечивают точность обработки — 6-я
степень и шероховатость Ra = 1,25...0,63 мкм. Станок сложен в
наладке и малопроизводителен. Их недостатком является то, что к
ним должны быть приложены комплекты дорогостоящих делительных
дисков, алмазов, обкатных барабанов, лент, сменных шестерен.
432
На станках KS-42 применяются те же шлифовальные круги, что
и па зубошлифовальных станках для цилиндрических колес. На
станках 105 фирмы ’’Глисон” применяются шлифовальные круги
тарельчатой формы диаметром 267 мм и шириной кромки 1,5...8 мм.
Шлифование конических колес с криволинейной формой зубьев.
Криволинейные зубья конических колес шлифуют на специальных
зубошлифовальных станках ЭНИМС модели 5872, ’’Глисон” моделей
17, 18, 27, 137 и др. Абразивный круг на этих станках чашечной
формы, с реечным рабочим профилем. Круг, вращаясь со скоростью
25...30 м/с, обкатывает кривую поверхность обрабатываемого зуба.
Движение обкатки создается медленным реверсивным вращением
колеса вокруг своей оси и центра круга, находящегося в зацеплении
с колесом вокруг той же оси. В хорошо налаженном производстве
припуск под шлифование рекомендуется оставлять 0,25...0,35 мм по
толщине зубьев.
При зубошлифовании конических колес с криволинейной формой
зубьев достигается 5-я степень точности.
Притирка зубчатых колес. Боковые поверхности
зубьев с твердостью HRC > 58 можно притирать. Операция притирки
вводится для улучшения чистоты поверхности и формы пятна кон-
такта зуба и понижения уровня шума пары колес. Притирают пря-
мые, косые и криволинейные зубья цилиндрических и конических
колес, достигая при этом шероховатости поверхности Ra — 0,63...
0,32 мкм.
Точность обработки зубьев в процессе притирки несколько повы-
шается, если точность притира выше точности обрабатываемого
колеса и припуск на притирку не более 0,01...0,02 мм на сторону.
При наличии погрешностей в шаге и профиле эвольвенты более
0,05 мм притирка становится неэффективной.
Притирка зубьев колес осуществляется тремя способами:
зубья колес притираются зубьями притира (тоже зубчатого коле-
са), сделанного из мягкого серого чугуна; этим способом можно
притирать колеса любой формы;
зубья колеса притираются в паре с рабочим колесом, которое
заменяет притир; этим способом тоже можно притирать любые
зубчатые колеса;
зубья колеса притирают чугунным притиром — червяком. Таким
способом притирают только зубья цилиндрических и червячных
колес.
Притирочные пасты состоят из абразивного порошка и масла.
Применяют, например, смеси следующего состава: 35 % абразивного
порошка зернистостью от 5 до 3 мкм, 50 % турбинного масла и 15 %
солидола.
433
Рис. 19.31. Притирка зубьев колеса
тремя притирами
Рис. 19.30. Притирка зубьев одним
притиром
Первый способ притирки был самым распространенным и осущес-
твлялся для цилиндрических колес по двум схемам. В первой схеме
оси притираемого колеса и притира параллельны (рис. 19.30) и во
второй схеме (рис. 19.31) оси двух нижних притиров перекрещивают-
ся под углом 5..Л0” с осями верхнего притира 2 и притираемого
колеса 7.
На станках типа 5376, работающих по первой схеме, зубчатое
колесо притирается одним притиром. Притир, вращаясь, ведет обра-
батываемое наружное или внутреннее колесо, которое притормажива-
ется механическим или гидравлическим тормозным устройством.
Вращение колеса и притира реверсируется, притир имеет также
осевые, а колесо поперечные (радиальные) колебательные движения.
На зубопритирочных станках типа 573, работающих по второй
схеме, два нижних косозубых притира сделаны с разными направле-
ниями зубьев. Ведущим является верхний притир, все остальные
колеса ведомыми.
Нижние два шпинделя с притирами при работе притормаживают-
ся, вращение ведущего колеса-притира автоматически реверсируется.
Скрещивание осей двух нижних притиров с осью колеса обеспечивает
направленное относительное скольжение профилей зубьев колеса и
притиров и более равномерное снятие металла с притираемых повер-
хностей. Стойкость одного комплекта чугунных притиров при нор-
мальных условиях работы 15... 17 ч.
Для притирки конических колес по первому способу чугунные
притиры по форме и размерам делаются такими же, как и спаренные
434
с ними рабочие колеса. Однако в большинстве случаев конические
колеса притирают в паре с рабочим колесом, т.е. по второму способу.
В этой же паре они передаются на сборку.
Третий способ притирки с помощью чугунного червячного притира
отличается низкой производительностью, поэтому почти не применя-
ется, за исключением отдельных случаев при мелкосерийном произ-
водстве.
Притирка конических колес с криволинейными зубьями произво-
дится на специализированных притирочных станках Саратовского
станкостроительного завода моделей 5П720, 5П722, 5725Е, 5П726ФЗ
и др. Между сопряженными вращающимися зубчатыми колесами
вводится абразивная жидкость, состоящая из абразивного микрош-
лифпорошка (карбид кремния, окись алюминия) с зернистостью
М7...М28 и масла СЭЛ-1. Соотношение по объему частей абразивного
порошка и масла составляет от 1:1 до 1:2.
Зубохонингование. До недавнего времени в крупносе-
рийном и массовом производстве для снижения шероховатости и
образования наклепанного поверхностного слоя иа рабочей повер-
хности зубьев, а также для удаления заусенцев и забоин применяли
малоэффективные процессы окончательной обработки зубьев цилин-
дрических колес — обкатку с закаленными мастер-колесами, а также
притирку чугунными зубчатыми притирами.
С появлением более совершенного процесса — зубохонингования
— процессы обкатки и притирки теперь применяются редко.
Зубохонингование осуществляется на станках без жесткой кинема-
тической связи инструмента и заготовки и заключается в совместной
обкатке заготовки 2 зубчатого колеса (рис. 19.32) и инструмента /,
выполненного' из пластмассы в смеси с абразивным порошком в виде
зубчатого колеса того же модуля, что и обрабатываемое колесо. При
обкатке заготовка 2 и инструмент 1 совершают относительное осевое
перемещение при небольшом и неравномерном радиальном или
окружном нагружении. Оси заго-
товки и инструмента устанавлива-
ют под небольшим межосевым
углом а (углом скрещивания). На
некоторых станках инструмент
совершает колебательное движе-
ние вдоль оси.
Зубохонингование устраняет
заусенцы и повреждения повер-
Рис. 19.32. Схема зубохонингования:
I — хон; 2 — заготовка
435
хности зубьев, возникшие при нарезании зубчатых венцов, при
термической обработке колес и их транспортировании; уменьшает
шероховатость поверхности зубьев шевингованных и шлифованных
колес; снижает уровень шума; повышает контактную прочность
колес; уменьшает погрешности, возникающие на предварительной
обработке; увеличивает производительность зубообработки благодаря
повышению режимов предварительной обработки с последующим
зубохонингованием.
В настоящее время зубохонингование применяют для обработки
цилиндрических зубчатых колес с т 2...6 мм, диаметром 30...
500 мм и шириной венца до 150 мм. При зубохонинговании зубчатых
колес снимаемый припуск 0,02...0,03 мм на сторону зуба. Время
обработки заготовки колеса средних размеров составляет 27...60 с.
Процесс рекомендуется для внедрения в серийное и массовое произ-
водство зубчатых колес 5... 10-й степени точности.
Для зубохонингования используются станки Витебского станкос-
троительного завода моделей 5Б913, 5А915; фирмы ’’Мичиган Тул”
(США) 999-А и др.
Освоен серийный выпуск отечественных зубчатых хонов, изготав-
ливаемых литьем по мастер-колесу. Литьевая композиция состоит из
электрокорунда белого 25А, 24А или 23В зернистостью 25 с наполни-
телем — электрокорундом белым тех же марок зернистостью 6 и
связок на жесткой и эластичной полимерных основах.
Хоны, изготовленные литьем, на основе эпоксидной смолы, наибо-
лее износостойкие и прочные. Число заготовок колес, обрабатывае-
мых одним хоном, составляет более 3000 шт.
Рекомендуемые режимы зубохонингования для колес с т < 12 мм
приведены в табл. 19.2.
Наиболее эффективной смазочно-охлаждающей жидкостью при
зубохонинговании является керосин.
Таблица 19.2
Режимы Зубохонингования цилиндрических колес
Параметр	Степень точности по ГОСТ 1643—81	
	5...6-я	7...8-я
Окружная скорость, м/с	10. ,25	5... 10
Нагрузка: радиальная,	200...250	400...500
окружная	10...15	20...30
Продольная подача, мм/мин	300...600	300...600
Число двойных рабочих ходов на одно ко- лесо	10	2
436
Подбор комплектов зубчатых колес. Для понижения шума,
возникающего при работе зубчатой передачи, и повышения ее нагру-
зочной способности зубчатые колеса подбирают в парные комплекты.
Подбор колес производится по двум признакам: уровню и характеру
шума и по пятну контакта рабочих поверхностей сопрягаемых зубь-
ев. По уровню шума зубчатую пару обычно подбирают на заводах на
слух или с помощью специальных приборов; уровень шума пары
колес проверяют на специальных контрольно-шумовых станках и
сравнивают его с уровнем шума, издаваемого образцовой парой. На
заводах используются следующие модели контрольно-шумовых
станков: 57А93, 57А95 (Клинский станкостроительный завод), GSC,
GSCL фирмы ’’Нейшнл Бройч” (США), ZP320RB фирмы ’’Хурт”
(ФРГ) и др.
Снижение уровня шума зубчатых передач может быть достигнуто
повышением точности обработки зубчатых колес, улучшением сборки
передачи и приданием зубьям более совершенных форм путем про-
фильной или продольной их модификации и другими методами,
применяемыми для компенсации погрешностей изготовления и
деформаций зубьев под нагрузкой. Экспериментальные исследования
показывают, что модификация поверхности зуба и подбор пары
зубьев по шуму снижает уровень шума на 4...5 дБ, притирка зубьев,
зубохонингование и зубошлифование — на 3...4 дБ, обкатка колес —
на 2...3 дБ.
По форме пятна контакта зубчатые пары подбирают для правиль-
ного зацепления зубчатых колес, обеспечивая плавность их работы
и долговечность. Продольной и профильной модификацией при
обработке зубьев добиваются пятна контакта, имеющего эллипсооб-
разную форму (рис. 19.33), с отрывом пятна от концов зубьев и их
вершин.
Подбор по уровню шума и размерам пятна контакта осуществляют
в следующем порядке. На контроль-
но-шумовой или контрольно-обкатной
станок или обкаточное приспособле-
ние устанавливают подбираемую зуб-
чатую пару. Зубья ведущего колеса
окрашивают лазурью или свинцовым
суриком и паре сообщают несколько
оборотов при включенном тормозном
устройстве на ведомом шпинделе. В
результате этого зубья ведомого ко-
Рис. 19.33. Оптимальная форма пятна контакта
зубьев цилиндрических колес
437
леса окрашиваются в месте их контакта с зубьями ведущего колеса
и образуется пятно контакта. Если полученная форма пятна контакта
или уровень и характер шума не удовлетворяют требованиям, то
колесо заменяют другим. И так до тех пор, пока не будет подобрана
пара, удовлетворяющая предъявляемым к ней требованиям. После
этого пару маркируют одним знаком и направляют на сборку или на
следующую операцию по технологическому процессу.
Аналогично проводят подбор в пары, шестерни и колеса, коничес-
ких зубчатых передач, т.е. по форме пятна контакта и уровню шума.
19.4.	ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ.
Зубчатые колеса — массовые детали, широко применяе-
мые в изделиях различных отраслей машиностроения (автотракторос-
троения, станкостроения, авиадвигателестроения и др.). Увеличение
ресурса и надежности работы, этих деталей имеет большое народнохо-
зяйственное и научное значение.
Увеличить ресурс и надежность работы зубчатых колес можно
следующими технологическими методами:
цементацией, азотированием и деформационным упрочнением,
оптимизирующими физико-химическое состояние (ФХС) поверхнос-
тного слоя рабочих поверхностей зубьев для заданных условий их
эксплуатации (износостойкость, усталостная и контактная прочность,
сопротивление коррозии);
применением новых перспективных методов отделки рабочих
поверхностей зубьев, снижающих шероховатость, изменяющих их
структуру, фазовый и химический состав поверхностного слоя,
обеспечивая этим повышение надежности и работоспособности зубча-
тых передач в условиях эксплуатации изделия.
Цементация и азотирование рабочих поверхностей зубьев колес
освоено и широко используется в промышленности.
Деформационное упрочнение зубчатых колес. Деформационное
упрочнение зубчатых колес проводится для .повышения усталостной
прочности и износостойкости.
Остаточные напряжения растяжения снижают сопротивление
усталости и долговечности работы зубчатого колеса. Напряжения
растяжения могут возникнуть в колесе при нарезании зубьев, их
абразивной обработки, при обеднении поверхностных слоев углеродом
в процессе химико-термической обработки и от других факторов. В
процессе деформационного упрочнения остаточные напряжения
растяжения снимаются и формируются в колесе остаточные напряже-
ния сжатия.
438
Рис. 19.34. Принципиальная схема
обработки на установке ГПД-2:
а — угол зацепления; т — модуль
В отрасли деформационное
упрочнение зубчатых колес про-
изводится струйно-гидравличес-
ким способом на установке типа
ГДП-2. Трансформаторное мас-
ло под давлением подается к
трем соплам (рис. 19.34).
Стальные шарики диаметром
1,6 мм благодаря эжекции увле-
каются струей и соударяются с
поверхностью зубьев колеса.
Усталостная прочность зубьев повышается на 20...30 %. Максималь-
ный диаметр зубчатых колес, обрабатываемых на этой установке, не
должен превышать 400 мм при ширине зубчатого колеса до 60 мм.
Упрочнение зубчатых колес диаметром до 120 мм возможно на
струйно-механической установке типа ГРП-300. Мелкомодульные
зубчатые колеса на этих установках нельзя упрочнять, так как у них
используются шарики диаметром 0,6...1,6 мм.
Упрочнение мелкомодульных зубчатых колес диаметром до
800 мм возможно на установке типа РДУ-1, где обработка ведется
микрошариками диаметром 100...400 мкм, что позволяет упрочнять
всю поверхность зуба и впадины, обеспечивать шероховатость повер-
хности Ra - 0,32 мкм.
Деформационное упрочнение зубьев средне- и крупномодульных
колес можно выполнить обкатыванием поперечным или продольным.
Для обкатывания конических зубчатых колес применяется специаль-
ный винтовой ролик. Долговечность зубьев обкатанных зубчатых
колес повышается в 3...4 раза, предел прочности — на 15...20 %.
Из новых методов зубообработки для повышения ресурса и надеж-
ности получили распространение зубошлифование профильным и
червячным кругами из эльбора, зубохонингование, а также зуботоче-
ние закаленных колес твердосплавным инструментом.
Обработка профильным элъборовым кругом наиболее экономична
в условиях крупносерийного и массового производства, так как для
каждого конкретного колеса требуется шлифовальный круг опреде-
ленного профиля. Шлифовальные эльборовые круги представляют
собой стальной корпус с точно отшлифованным базовым профилем,
на который гальваническим способом нанесено однослойное эльборо-
вое покрытие с никелевой или иной связкой. Шлифование эльборо-
439
вым кругом не требует прерывания обработки для правки круга,
гарантирует постоянные высокую точность профиля зуба колеса и
структуру его поверхностного слоя.
Весьма перспективными для зубчатых колес в авиадвигателестрое-
нии являются разработка и внедрение оборудования и электронно-
ионной технологии обработки рабочих поверхностей зуба, обеспечи-
вающих оптимальное ФХС поверхностного слоя для заданных усло-
вий их работы (легирование, стабилизация структуры, очистка
поверхности и др.).
19.5.	ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Существует два вида контроля зубчатых колес — ком-
плексный, определяющий суммарную погрешность нескольких пара-
метров, и контроль по отдельным параметрам, определяющий по-
грешность только одного параметра.
Комплексный контроль, являясь наиболее производительным,
широко применяется в крупносерийном и массовом производствах.
Для комплексного контроля цилиндрических и конических зубчатых
колес применяются приспособления (рис. 19.35), имеющие по две
оправки, вращающиеся в шарикоподшипниках, встроенных в каретки
1 и 2. Каретка 1 закреплена в корпусе, а каретка 2 может передви-
гаться. На одну оправку приспособления устанавливается эталонное
зубчатое колесо, а на другую контролируемое. Под действием пружи-
ны подвижная каретка плотно, без зазора поджимает зубья контроли-
руемого колеса к зубьям эталонного. При контроле конических колес
каретки I и 2 относительно друг друга устанавливаются так, чтобы
вершины начальных конусов были совмещены.
При вращении жестко закрепленных на оправке колес из-за
имеющихся у контролируемого колеса погрешностей подвижная
каретка будет перемещаться. Величина перемещений фиксируется
индикатором 3. Погрешность определяется по максимальному откло-
нению стрелки индикатора за один полный оборот контролируемого
колеса. Отклонения регламентируются ГОСТами 1643—81 и 1758—81.
Кроме комплексного беззазорного контроля существует комплек-
сный контроль обкаткой с зазоро'м — так называемая однопрофильная
обкатка. При этом методе контролируемое и эталонное колеса с
помощью двух гладких стальных дисков, наружные диаметры кото-
рых равны диаметрам начальных окружностей, устанавливаются с
требуемым боковым зазором между зубьями. Пружинные механизмы
приборов во время обкатки колес обеспечивают плотное прижатие
440
Рис. 19.35. Комплексная проверка зубчатых колес обкаткой:
а — наружных цилиндрических колес; б — внутренних колес; в — конических колес
одного диска к другому и одной стороны профиля зуба к профилю зу-
ба другого колеса.
При обкатке колес и наличии в контролируемом колесе погреш-
ностей шага, профиля, биения, перекоса зубьев и других возникает
окружное колебание контролируемого колеса. Эти колебания регис-
трируются рычажным механизмом и передаются на самописец,
который записывает окружность из ломаных линий. По величине
441
Рис. 19.36. Проверка длины общей
нормали блочной скобой или норма-
лемером
радиальных отклонений этих
линий от линии правильной
окружности определяют по-
грешность однопрофильной
обкатки.
К числу наиболее важных
отдельно контролируемых
параметров относятся: длина
общей нормали, окружной и основной шаги, профиль эвольвенты,
радиальное биение профилей зубчатого венца и перекосы зубьев
относительно оси вращения зубчатого колеса.
Правильная длина общей нормали обеспечивает в зубчатом колесе
предусмотренную толщину зуба, а отсюда — заданный боковой зазор
между профилями пары колес при их зацеплении.
Длину общей нормали проверяют нормалемером, предельной
скобой, а прн отсутствии эти мерителей — точным штангенциркулем.
Размер блочной скобы (рис. 19.36) при толщине зуба на
радиусе делительной окружности /Jj в общем случае для любых
корригированных и некорригированных цилиндрических прямозубых
колес определяется по формуле
L = (п - l)to +SO,	С19.1>
где п — число зубьев колеса, охватываемых скобой (п = 0,1 lz + 0,5);
tQ — основной шаг колеса; 50 — толщина зуба по основной окружнос-
ти
So = 2 J Д + invJ,	<19-2)
где invcq — инволюта угла ар определяемая в радианах по таблице
инволютных функций или по формуле invaj = tgccj - ар При угле
«I * 20° invaj - 0,014. При aj * 20° угол а^ определяется через
косинус по формуле cosaL = rjRv где г0 — радиус основной окруж-
ности колеса.
Контроль по роликам, предусматриваемый ГОСТ 1643—81, по
существу является комплексным, но условно относится к контролю
толщины зуба. Размер Мв между роликами для внутренних колес и
размер Мн, охватывающий ролики для наружных колес, определяется
по формулам табл. 19.3.
442
Таблица 19.3
Формулы для определения размера М
Число зубьев	Наружные зубчатые колеса	Число зубьев	Внутренние зубчатые колеса
Четное	Ми = 2(г2 + w)	Четное	Мв “ 2(г2 - W)
Нечетное	,, J 90’	) Мн = 21 r2cos	 + w 1	Нечетное	“ 2^ггсо5 - wj
Радиус г2 от центра зубчатого колеса до центра ролика определя-
ется с помощью эвольвентной геометрии, Радйус ролика для некорри-
гированных колес w — 0,85 модуля с округлением до 0,1 мм. Для
корригированных колес w определяется тоже с помощью эвольвен-
тной геометрии.
Этот метод чаще применяется для контроля колес с внутренними
зубьями, однако он очень трудоемкий и для крупномасштабного
производства непроизводителен.
Проверка окружного и основного шагов необходима для определе-
ния равномерного расположения эвольвентных профилей на дели-
тельной и основной окружностях. Наиболее надежным параметром
для этого контроля является основной шаг, так как при его проверке
совмещаются измерительная и технологические базы, поэтому по-
грешность установки шагомера равна нулю.
Основной шаг наружных цилиндрических прямозубых колес
измеряется шагомерами завода ’’Калибр”, фирмы ”Мааг” и др.
Шагомером с роликовыми или шариковыми наконечниками можно
измерять основной шаг в колесах с внутренними зубьями. Настройка
шагомера на заданный размер производится по специальному калиб-
ру, у которого расстояние между мерительными плоскостями равно
основному шагу to.
Проверка профиля эвольвенты необходима для обеспечения плав-
ного (без ускорений) зацепления зубьев пары колес и безударной их
работы.
 Профиль наружных зубьев цилиндрических колес проверяют на
эвольвентомерах заводов МИЗ, ЧЗИП, фирмы ”Мааг” со сменными
дисками и на универсальных эвольвентомерах с постоянным диском
или с эвольвентным кулаком и рычагом. Работа этих приборов
основана на развертке эвольвенты в прямую или ломаную линии.
Эти приборы имеют щуп, скользящий по профилю проверяемого зуба
при проворачивании колеса. Через систему рычагов щуп связан с
самописцем или с индикаторными часами, регистрирующими откло-
нения проверяемой эвольвенты от теоретической. При правильной
эвольвенте щуп неподвижен и самописец вычерчивает на бумажной
443
Рис. 19.37. Расположение пятна контакта
по краске на зубе конического колеса
ленте прямую линию. При не-
правильной эвольвенте эта линия
будет ломаной. По ширине раз-
маха ломаной линии определяют
величину погрешности эвольвен-
ты.
Профиль прямого зуба кони-
ческого колеса на эвольвентомере
проверяют редко. Профили зубь-
ев криволинейных конических
колес не имеют в поперечном
сечении форму эвольвенты, поэ-
тому на эвольвентомерах они не проверяются.
Качество зацепления профилей конических колер проверяют
путем обкатки контролируемого колеса с эталонным или рабочим
колесом. О качестве профиля зуба конического колеса судят по пятну
отпечатка краски, перенесенного на него с зубьев эталонного колеса.
Форма, размеры и расположение отпечатка на профиле зуба
(рис. 19.37) регламентированы ГОСТ 1758—81; они зависят от точ-
ности обработки колес и задаются в процентах от длины В и высоты
ha. JXflu 5-й степени точности, например, h и а равны 75 % от ha и
В; для 7-й степени — 60 % и для 9-й степени — 40 %. Таким же
способом (по краске) проверяют правильность зацепления цилиндри-
ческих колес при их сборке.
Форма расположения и размеры отпечатков по краске для цилин-
дрических колес установлены ГОСТ 1643—81.
Радиальное биение зубчатого венца проверяют шариковыми или
конусными наконечниками обычно точностью 0,01 мм.
Перекосы зубьев наружных и внутренних цилиндрических колес
проверяются с помощью цилиндрических стержней, вкладываемых
во впадины зубьев. Разность показаний индикаторов на концах
стержня указывает на перекос зубьев.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Из каких материалов изготавливают зубчатые колеса ГТД?
2.	Как выбирается химико-термическая обработка зубчатых колес и каково ее
место в технологическом процессе?
3.	Чем определяется выбор метода зубонарезания?
4.	Каковы точность и производительность различных методов шлифования и их
выбор в зависимости от модуля и формы зубьев?
444
5.	Какие методы применяются для отделки зубьев?
6.	Какими технологическими методами обеспечивается повышение ресурса и
надежности зубчатых колес?
7.	Каковы особенности контроля, отдельных параметров и комплексных методов
контроля зубчатых колес ГТД?
ГЛАВА 20. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ
ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
20.1. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
И МАТЕРИАЛЫ
В современных газотурбинных двигателях многие детали
и узлы изготавливают из листового материала. До 20 % массы
двигателя приходится на детали из листовых материалов, а трудоем-
кость изготовления их составляет около 15 % общей трудоемкости
изготовления двигателя. Из листовых материалов изготавливаются
оболочки и рубашки камер сгорания, детали форсажной камеры,
створки, заслонки, корпуса компрессоров, баллоны, баки и многие
другие детали и узлы.
Детали из листа можно разделить на плоские (прокладки), изо-
гнутые (скобы, проушины) и объемные (оболочки) замкнутого конту-
ра. Они бывают цельные, сварные, паяные.
Технические условия на изготовление деталей из листового
материала включают требования в отношении точности размеров и
фермы, герметичности, физико-химического состояния поверхностно-
го слоя, покрытий и сварочных швов.
Требования к герметичности предъявляют только к конструкциям,
которые работают в условиях высоких давлений или служат емко-
стью для жидкости. Такие узлы, как правило, подвергают гидроиспы-
таниям под давлением на 50...1(H) % выше рабочего.
Высокие требования предъявляются к поверхностному слою,
особенно деталей, образующих проточную часть двигателя. На повер-
хностях деталей проточной части не должно быть сборок, складок и
трещин, а шероховатость их должна соответствовать шероховатости
прокатанного материала. В ряде случаев задают более высокую
степень чистоты. Например, у лопаток входного патрубка шерохова-
тость должна соответствовать Ra = 0,63,..0,15 мкм, обеспечиваемая
полированием.
Материалы для деталей из листа. При выборе материала учиты-
вают рабочие нагрузки, среду и температурные условия, в которых
работают детали, назначение и срок службы двигателя.
445
Материалы деталей из листа должны обладать не только хороши-
ми эксплуатационными, но и технологическими свойствами: штампу-
емостью (способностью к пластическому деформированию), сваривае-
мостью, паяемостью и обрабатываемостью резанием.
Для обработки давлением наиболее подходящими являются мате-
риалы, обладающие относительно малым пределом текучести, низкой
твердостью и большим удлинением. Из них можно изготовить деталь
за минимальное число переходов. Материалы с относительно равно-
мерным удлинением меньше 5 %, как правило, требуют нагрева при
формовании, а следовательно, вызывают удлинение цикла обработки
и повышение ее стоимости.
Листовые детали газотурбинных двигателей изготавливают из
следующих конструкционных материалов: алюминиевых сплавов
АД1, АМц, АМгб, Д16; магниевых сплавов Ml, М2, М3; титановых
сплавов ВТ1-0, ВТ1-00, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ14*, ВТ6С*, ВТ5-Г,
ВТ2*, ВТ20*; сталей 12Х18Н10Т, О8Х18Н1О, 20Х13НГ9, 20Х23Н18,
ХН38Т, 15Х18Н12С4Т10, 07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ, 08Х15Н5Д2Т;
жаропрочных сплавов ЭП648, ЭП718, ЭИ894К, ЭИ602, ВЖ98,
ВЖ100, ВЖ101 и др.
При выборе материала из титановых сплавов следует учитывать,
что эти материалы являются труднообрабатываемыми. По технологи-
ческой пластичности при комнатной температуре листовые титановые
сплавы различают: пластичные ВТ1-0, ВТ1-00; средней пластичност
ОТ4-0, ОТ4-1 и ОТ4 и малой пластичности ВТ14, ВТ6С, ВТ5-1,
ВТ20. Изготовление деталей из этих сплавов связано с применением
специального оборудования, с повышенным износом оснастки и
длительным циклом изготовления. Поэтому необходимость примене-
ния высокопрочных титановых сплавов должна быть обоснована
условиями эксплуатации детали. Детали из титановых сплавов не
рекомендуется изготовлять из листа толщиной менее 0,6 мм.
Технологичность деталей из листовых материалов. Эти детали
должны иметь по возможности простой контур и геометрическую
форму, плавные переходы от одного сечения к другому, с обязатель-
ным соблюдением рекомендуемых соотношений между отдельными
конструктивными элементами. Элементы штампуемых деталей
должны быть унифицированы. Это существенно облегчит подготовку
к серийному производству. Унификации подлежат диаметры отвер-
стий и деталей, получаемых пробивкой и вытяжкой, радиусы сопря-
Материалы с малой пластичностью при холодном деформировании; для деталей
из листов этих сплавов толщиною свыше 1,8 мм требуется технологический нагрев
заготовок и штампа до 700 °C.
446
жений плоских и объемных деталей; элементы жесткости; узлы
гибки. Более подробно о технологичности деталей из листовых мате-
риалов см. в подразд. 6.6.
20.2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ
ИЗ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЗАГОТОВКИ
Наиболее сложными являются технологические процессы
изготовления деталей и узлов в виде оболочек (камеры сгорания,
сопла и др).
Основные этапы технологического процесса
изготовления деталей и узлов типа оболочек
1. Изготовление заготовок для деталей из листа.
. 2. Операции формообразования детали (гибка, штамповка и др.).
3.	Механическая обработка деталей перед сваркой или- пайкой.
4.	Сборка деталей в узел перед сваркой или пайкой.
5.	Сварка или пайка узла.
6.	Обработка узлов после сварки или пайки.
7.	Нанесение покрытий или окрашивание поверхностей.
При наличии особых требований в технологический процесс могут
быть введены дополнительные операции, например зиговка, полиро-
вание и др.
Заготовки для деталей из листа. Заготовкой для формообразова-
ния деталей нз листа является плоская заготовка. Чтобы изготовить
плоскую заготовку, необходимо:
1.	Определить форму и размеры плоской заготовки.
2.	Выбрать листовой материал.
3.	Раскроить и разрезать листы на полосы или квадраты.
4.	Подготовить материал (полосы, квадраты) к вырубке или
вырезке плоской заготовки.
5.	Вырубить или вырезать плоскую заготовку.
6.	Подготовить плоскую заготовку к операциям формообразования.
Форму и размеры плоской заготовки можно определить одним из
следующих методов: методом равенства площадей; расчетом длин по
средней линии; методом равенства объемов или масс; графоаналити-
ческими методами.
Выбор метода расчета размеров плоской заготовки определяется
формой детали. Например, для детали, состоящей из простых эле-
ментов, определяют методом равенства площадей. Для получения
размеров плоской заготовки детали, получаемой гибкой с незначи-
447
Рис. 20.1. Схема вырубки плоской заготовки
на вырубном штампе с верхним расположени-
ем матрицы;.
1 — подача воздуха для выталкивания заготов-
ки; 2 — матрица; 3 — плоская заготовка; 4 —
полоса; 5 — съемник; б — пуансон; 7 — по-
душка
тельной вытяжкой, наиболее удобным
является метод расчета длин по сред-
ней линии. Метод равенства масс
используют при наличии изготовлен-
ной детали. Плоские заготовки для деталей сложной геометрической
формы обычно определяют методами равенства объемов или графоа-
налитическим.
Определив размеры плоской заготовки, выбирают из имеющегося
сортамента или заказывают требуемый лист. Выбранные листы
раскраивают и разрезают на полосы или квадраты требуемого разме-
ра. Допускаемые отклонения по ширине полосы или стороне многоу-
гольника (в зависимости от размеров) — 0,5...2 мм. Листы иногда
раскраивают на несколько различных деталей одинаковой толщины.
Это позволяет наиболее выгодно использовать площадь листа, умень-
шить технологические потери материала.
Разрезают листы на полосы или квадраты в крупносерийном
производстве на гильотинных ножницах или в штампах на гидропрес-
сах, в единичном и мелкосерийном производстве — пилами (дисковы-
ми, ленточнымй, ножовками), газовой и лазерной резкой.
Подготовка материала к вырубке или вырезке плоской заготовки
заключается в смазке листа машинным или отработанным моторным
маслом для предохранения его от коррозии, облегчения условий
вырубки или вырезки плоской заготовки. Стойкость вырубных штам-
пов при этом увеличивается на 10... 15 %.
Вырубка плоской заготовки производится штампом на кривошип-
ном прессе. На рис. 20.1 приведена схема вырубки плоской заготовки
штампом с верхним расположением матрицы. При движении верхней
части штампа вниз матрица 2, надавливая через материал на съем-
ник 5, опускает его вниз, благодаря чему обнажается пуансон 6 и
производится вырубка заготовки. При обратном ходе остающийся на
пуансоне отход снимается с него съемником 5, а вырубленная заго-
товка выбрасывается из матрицы сжатым воздухом, подаваемым
через патрубок 1.
Для обеспечения правильного процесса вырубки между матрицей
и пуансоном предусматривается зазор, величина которого зависит от
толщины и марки материала. Значение зазора выбирают по справоч-
448
ным данным. Например, для листа толщиной 2 мм из сталей
1Х18Н9Т и ЭИ417 оптимальный двухсторонний зазор между режу-
щими кромками пуансона и матрицы составляет 0,2 мм.
Для выбора пресса определяют прежде всего необходимое усилие
вырубки Р по формуле
Р = Ltt,
(20.1)
где L — периметр плоской заготовки; t — толщина материала листа,
мм; т — сопротивление вырубке, Н/мм2.
В зависимости от предела прочности ов и других факторов прини-
мают для стали т = (0,75—0,90) ов, а для алюминия т = (0,6...0,9)сгв.
Верхние предельные значения относятся к материалам толщиной от
0,5 до 2 мм, нижние — к материалам толщиной от 2 мм и выше.
Штампами с резиновой матрицей (рис. 20.2, а) вырубают плос-
кие заготовки из алюминиевых сплавов толщиной до 1,5 мм, магние-
вых — до 2,5 мм, стальных — не более 1,0 мм. Роль пуансона в таком
штампе выполняет стальная пластина (шаблон), а роль матрицы —
резиновая подушка, имеющая относительное удлинение около 400 %
и сжатие при нагрузке 10 МН/м2 в пределах 40...60 %. Толщина
шаблона 6—12 мм, толщина резины 30—60 мм.
Штампы с резиновой матрицей дешевле металлических. Их ус-
танавливают обычно на фрикционных прессах.
В мелкосерийном и единичном производстве плоские заготовки
вырезают на роликовых или вибрационных ножницах (для тонких
круглых заготовок), газовым резаком (для толстостенных заготовок
сложной формы) или плазменной горелкой.
Вырезка круглых заготовок на ролико-
вых ножницах показана на рис. 20.2, б. На
ножницах можно также вырезать плоские
заготовки с контуром сложной формы,
предварительно разметив ее по шаблону.
Кромки заготовок получаются довольно
ровными, поэтому припуск на механичес-
кую обработку в этом случае принимают
таким же, как и при вырубке под штам-
пом.
Рис. 20.2. Схема вырубки и вырезки плоской заго-
товки:
а — вырубка плоской заготовки в штампе с резиновой
матрицей; 1 — резиновая матрица; 2 — полоса (квад-
рат); 3 — шаблон (пуансон); б — вырезка круглых
заготовок на роликовых ножницах
а)
а)
15 Зак. ]398
449
Газовую вырезку производят по разметке. Используют также
различные копировальные устройства. Кромки получаются неровны-
ми, поэтому припуск на последующую механическую обработку
увеличивают.
20.3. ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛИСТА
В зависимости от формы и размеров детали применяют
следующие процессы формообразования деталей из листового мате-
риала: гибка; штамповка-вытяжка; формообразование разжимным
пуансоном; ротационное выдавливание; штамповка жидкостью,
взрывом; гидроэлектрическая штамповка.
Гибка используется для деталей, имеющих незамкнутый контур
(половинки сопел, пилонов и др.).
В крупносерийном производстве гибку осуществляют в штампах
под прессом или в гибочных машинах.
Гибку в штампах применяют для деталей, имеющих простую
форму, например, таких, как половинки сдала, и обычно производят
ее в одну операцию. Для деталей толщиной 6 мм и более заготовку
предварительно нагревают, например, для стали 25ХГСА — 1080 сС.
Затраты при формообразовании деталей на гибочных машинах
значительно меньшие, чем в штампах.
Гибку деталей, имеющих цилиндрическую, коническую, а также
корытообразную форму, можно производить на универсальных
гибочно-вальцовочных машинах. Недостатком такого метода является
неизбежность недовальцовки кромки и низкая точность. Обычно
после гибки-вальцовки детали приходится выправлять, на что затра-
чивается довольно много времени.
При изготовлении деталей авиационных двигателей широко
используется метод гибки с предварительным растяжением на
специальных гибочных машинах-. Этот метод позволяет получить
точность, соответствующую примерно 8...9-му квалитету, а отходы
сократить до минимума. Он применим для изготовления деталей как
малой, так и большой толщины из различных материалов, в том
числе и жаропрочных.
Различают два способа гибки с растяжением: гибка с вращением
формблока и гибка огибанием.
450
Рис. 20.3. Схема гибки с растяжением загото-
вок из полосы:
а — гибка с вращением; I — полоса, деформи-
рованная растяжением; 2 — формовочный блок;
3 — башмак; 4 — паз для заделки конца полосы;
5 — гидрозажим; , б — гибка с огибанием; I —
полоса, деформированная растяжением; 2 —
пуансон; 3 — гидрозажим
Гибка с вращением формовочного
блока (рис. 20.3, а) осуществляется
следующим образом. Прокатанную
полосу зажимают одним концом на
формблоке, а другим в специальном
быстродействующем захвате, связан^
ном со штоком гидравлического ци-
линдра. Затем полосу растягивают и в
растянутом состоянии навертывают на вращающийся формблок.
На протяжении всего процесса гибки усилие растяжения поддер-
живают постоянным. Иногда деталь прижимают к вращающемуся
формблоку башмаком из бронзы, закрепленным на штоке бокового
гидравлического цилиндра. Боковой прижим обеспечивает более
высокую точность детали. Во избежание надиров на детали и фор-
мблоке последний перед началом гибки смазывают консистентной
смазкой. После гибки деталь в форме кольца имеет один разрез,
который затем сваривают стыковой сваркой.
Схема гибки огибанием приведена на рис. 20.3, б. При гибке
обоими способами в материале создаются напряжения, превышающие
предел текучести (но не превышающие предел прочности). Исходя
из этого определяют усилие растяжения
Р “ °0,2^’
(20.2)
где <?ц2 — предел текучести; F — площадь поперечного сечения
заготовки.
Исходные заготовки (полоса) перед операцией гибки с растяжени-
ем не должны иметь отверстий и вырезов.
Штамповка деталей из листа. Штамповка (пластическое дефор-
мирование материала) — один из самых эффективных методов изго-
товления деталей из листа. Основными преимуществами штамповки
являются: возможность получения деталей минимальной массы при
заданной прочности и жесткости; высокий КИМ; высокая произ-
водительность труда и широкая возможность механизации и автома-
тизации процесса.
15*	*
451
Целесообразность применения различных способов штамповки
определяется с учетом масштаба производства, размеров и формы
деталей и свойств материала. Ориентировочно считается, что в
единичном производстве применение штамповки рационально только
в случае использования универсальных штампов, в мелкосерийном
и серийном производствах рекомендуется применять методы холодно-
го пластического деформирования листовых материалов для получе-
ния деталей в инструментальных штампах на универсальных прессах
или на специализированных молотах.
Различные способы холодной штамповки с использованием уни-
версального .кузнечно-прессового оборудования (механических,
гидравлических прессов и др.) позволяют получить детали по 14-му
квалитету. Введением операций по калибровке и зачистке можно
достигнуть их точности по 12...14-му квалитету. Применение специ-
альных прессов с импульсным характером нагрузки позволяет'изгото-
вить детали по 8... 11-му квалитету. Детали с точностью 7...9-го
квалитета можно получить горячей листовой штамповкой с термо-
фиксацией или штамповкой в условиях 'сверхпластичности материа-
лов.
Из-за высокого соотношения предела текучести и модуля нормаль-
ной упругости детали из титановых сплавов после штамповки имеют
меньшую точность, чем соизмеримые с ними детали из алюминиевых
сплавов. Более высокую точность, деталей рекомендуется назначать
только в случае оправданной необходимости.
Штамповка-вытяжка деталей. Подготовка
плоских заготовок к штамповке-вытяжке. Процесс штамповки-
вытяжки сопровождается значительным трением о поверхности при-
жима, матрицы и пуансона штампа. Сухое трение часто приводит к
образованию надиров и сборок на детали и быстрому износу штампа.
Во избежание этого плоские заготовки перед вытяжкой смазывают
чистым маслом, маслом: с графитом и т.д. Однако лучшие результаты
получаются при покрытии заготовки тонким слоем перхлорвинилово-
го лака ХВЛ-21 с последующей смазкой покрытых плоскостей мас-
лом. Слой лака наносят распылителем и просушивают в печи или на
воздухе. В тех случаях, когда деталь штампуют за несколько опера-
ций, после каждой вытяжки проводят термическую обработку (от-
жиг) , при которой слой лака сгорает. Поэтому операцию подготовки
необходимо проводить перед каждой операцией штамповки. Если же
деталь штампуют в нагретом состоянии, то надобность в такой подго-
товке, как правило, отпадает.
Штамповка-вытяжка деталей типа оболочек. Разрабатывая
технологический процесс штамповки, необходимо определить число
операций вытяжки. При определении числа операций вытяжки
стремятся, чтобы в каждой операции напряжения в металле не-
452
Таблица 20.1
Средние значения коэффициентов вытяжки
КЬэффи- циент вытяжки	Относительная толщина материала t/d, %					
	2,0-1,5	1,5-1,0	1,0-0,6	0,6...0,3	0,3—0,15	0,14-0,08
т0	0,5	0,53	0,55	0,58	0,60	0,63
т,	0,75	0,76	0,78	0,79	0,80	0,82
т2	0,78	0,79	0,80	0,81	0,82	0,84
т3	0,80	0,82	0,82	0,83	0,85	0,86
т4	0,82	0,84	0,85	0,86	0,87	0,88
превосходили предела прочности, однако при полном использовании
и его пластических свойств.
Обычно число операций и их последовательность определяют на
основе экспериментально установленных коэффициентов вытяжки,
представляющих собой отношение последующего (после операции)
диаметра к предыдущему. Например, для первой операции коэффи-
циент вытяжки
Чо = dt/d0,	(20-3)
где dj — диаметр детали после первой вытяжки; d0 — диаметр плос-
кой заготовки.
Для последующих операций коэффициенты вытяжки представля-
ют собой отношения
ш, = d-j/df, т2 = d3/d2; mnll = dn/dn_v (20.4)
где dp d2, d3, dn_ i — диаметры промежуточных форм заготовок;
dn — диаметр готовой детали.
Средние значения коэффициентов вытяжки для стали в зависи-
мости от относительной толщины материала приведены в табл. 20.1.
На заводах принимают иногда более высокие коэффициенты
т0 = 0,б...0,7, чтобы избежать образования трещин из-за неравномер-
ной толщины материала.
Схема штамповки детали из плоской заготовки показана на
рис. 20.4. При рабочем ходе пресса заготовка вначале зажимается
между верхней и нижней частями штампа, а затем в течение всего
рабочего хода пресса вытягивается. При проектировании штампа или
выборе пресса особое внимание должно быть уделено обеспечению
необходимого давления прижима плоской заготовки. Если давление
будет недостаточным, то при вытяжке у детали могут образоваться
складки или морщины, а если оно чрезмерно велико, то может
образоваться разрыв материала. Оба дефекта неисправимы. Опытом
453
Рис. 20.4. Схема штамповки-вытяжки
детали из плоской заготовки:
1 — матрица; 2 — воздух для выталки-
вания детали; 3 — плоская заготовка;
4 — сьемник; 5 — пуансон; б — вытал-
киватель; 7 — пуансонодержатель
установлено, что, например,
для вытяжки стальной детали
с толщиной стенки 1,5...2,0 мм
давление прижима должно
быть около 2,5 МН/м2.
Важно также выбрать правильный зазор между матрицей и пуан-
соном, при котором наименее вероятны задиры при штамповке. Зазор
устанавливается в зависимости от материала, операции вытяжки и
выбирается в пределах (1,1...1,5) t на сторону. Иногда для начальных
операций вытяжки зазор дополнительно увеличивают на 0,05...0,1 мм
(учитывая, что материал может быть неравномерной толщины). На
качество вытяжки влияет также и радиус ^закругления от плоскости
к отверстию матрицы. Обычно радиус закругления составляет 6... 10
толщин штампуемого материала. Переход должен быть гладким, его
полируют. В конструкции штампов предусматривают устройство для
снятия отштампованной детали с пуансона или выталкивания ее из
матрицы механически или сжатым воздухом. Воздух поступает из
заводской магистрали. Штампы, в которых для выталкивания
детали применен сжатый воздух, более просты по конструкции,
удобнее в эксплуатации и позволяют использовать прессы, не имею-
щие толкачей.
Усилие, необходимое для вытяжки детали в штампах, определяют
обычно по эмпирическим формулам. При расчете по ним усилие
вытяжки должно быть несколько меньше, чем усилие, необходимое
для отрыва дна заготовки по опасному сечению:
Р < Ltupt	(20.5)
где L — длина периметра детали; t — толщина материала; ор —
разрушающее напряжение. Соответственно расчетному усилию
подбирается пресс.
Термообработка. После каждой операции штамповки-вытяжки
предусматривается термообработка (отжиг) для восстановления
пластичности материала детали. Нагревают детали в электричес-
ких печах. Температура нагрева различна для разных материалов.
Например, секции жаровой трубы из сплава ЭИ435 нагревают до
1050 °C, выдержка 15...20 мин, охлаждение на воздухе.
454
Рис. 20.5. Схема штамповки-вытяжки входного
конуса жаровой трубы камеры сгорания:
I...V — вытяжки; VI — калибрование
После термообработки с поверхнос-
тей детали удаляют окалину травле-
нием или пескоструйной обработкой.
Перед каждой следующей операцией
вытяжки необходимо снова проводить
подготовку — покрыть деталь лаком и
маслом. Процесс термообработки обычно сопровождается короблени-
ем детали, поэтому после последней операции вытяжки и термо-
обработки детали необходимо формовать (калибровать) без последую-
щей термообработки.
В качестве примера на рис. 20.5 приведена схема штамповки-
вытяжки конуса жаровой Трубы камеры сгорания ГТД за пять опера-
ций вытяжки и одну — формовки.
Формовка (калибровка) деталей. Окончательно формуют деталь
чаще в штампах, реже — в гидроштампах. Штампы для формовки
мало отличаются по конструкции от вытяжных штампов.
Гидроформование деталей в специальных штампах (рис. 20.6).
Штамп состоит из двух частей — верхней и нижней, связанных с
подвижной и неподвижной частями гидравлического пресса. Перед
началом рабочего хода, когда верхняя часть штампа поднята, пуа-
нсон-поршень 4 под действием пружин 5, поднят до упора 3. Полость
под пуансоном-поршнем заполнена водой, поступающей через обрат-
ный клапан 6 из ванны 7. При рабочем ходе пресса формуемая
деталь вначале зажимается (по нижней части) между пуансоном-по-
ршнем и матрицей 2, а затем по мере
опускания верхней части, а следова-
тельно, и пуансона калибруется по
форме матрицы под давлением воды.
Вода выходит из полости под пуансо-
ном-поршнем через центральное и
наклонные отверстия в полость между
деталью и пуансоном. При обратном
ходе пресса пружины поднимают пу-
Рис. 20.6. Схема гидроформования конуса жа-
ровой трубы;
1 — формуемая деталь; 2 — матрица; 3 — упор;
4 — гидроггуансон; 5 — пружина; б — обратный
клапан; 7 — бачок с водой; 8 — воздух для вы-
талкивания детали
455
ансон-поршень в исходное положение, а вода перетекает в полость
под пуансоном. Деталь выталкивают из матрицы сжатым воздухом.
Точность гидроформования выше, чем формования в обычных
штампах, поскольку давление на деталь распределяется равномерно,,
заставляя ее плотно прилегать к внутренней поверхности матрицы.
При изготовлении такого штампа не требуется подгонять форму
пуансона под форму матрицы.
Вытяжка с подогревом. Титановые сплавы ВТ6С, ВТ5-1, ВТ 14,
ВТ2О и другие имеют гексагональную кристаллическую решетку,
поэтому обладают.низкими пластическими свойствами. В холодном
состоянии можно производить вытяжку только неглубоких деталей.
Для вытяжки глубоких деталей из титановых сплавов необходим
подогрев заготовки. Пластичность материала цри этом улучшается.
Процесс вытяжки может быть интенсифицирован/ если ввести еще
охлаждение стенок вытягиваемой детали. Охлаждение пуансоном
позволяет повысить прочность стенки в опасной зоне. Температура
подогрева заготовки для титановых сплавов до 700 °C. Для смазки
применяется масло "Вапор” с графитом. Вытяжку с подогревом
заготовки рекомендуется выполнять на прессах, имеющих небольшую
скорость движения ползуна, — лучше на гидравлическом прессе,
чтобы дать возможность охладиться стенке. Матрицу и прижим
следует изготовлять из жаропрочных материалов, например из стали
5ХН13.
Формообразование деталей замкнутого контура разжимными
пуансонами. Процесс формообразования разжимными пуансонами
позволяет изготовлять детали: из материалов различной толщины,
допускающих пластическое деформирование в холодном состоянии,
степень деформации до et = 0,18...0,20; из загото’вок, сваренных
различными видами сварки, со сварными швами, выполненными
встык и внахлестку, а также с несколькими сварными швами. Дан-
ный процесс изготовления деталей
снижает трудоемкость в три и более
раз по сравнению со штамповкой,
ротационным выдавливанием и др.
Схема процесса формообразования
разжимными пуансонами приведена
на рис. 20.7. Заготовку 1 детали за-
мкнутого контура, предварительно
уменьшенную на величину принятого
процента растяжения (за пределом
Рис. 20.7. Схема формообразования деталей
замкнутого контура разжимными пуансонами:
/ — заготовка; 2 — секторы; 3 — конус; 4,
7 — направляющие; 5 — маркетные колонки;
б плита
456
упругости), надевают на разжимной пуансон и растягивают сектора-
ми 2, которые под действием усилия пресса Р перемещаются по
конусу 3 вниз и в радиальном направлении. Под действием напря-
жений, возникающих в заготовке при разжатии секторов, заготовка
пластически деформируется и при достижении задаваемой степени
деформации принимает форму поверхности, образуемой секторами
разжимного пуансона. Число секторов разжимного пуансона должно
быть не менее 12 для деталей диаметром 600...700 мм и более 18...24.
Оптимальное значение угла а = 8... 15° обеспечивает диапазон дефор-
мирования детали до е = 0,2 и наименьшие потери усилия.
При расчете размеров заготовки учитывают также ¥ — относитель-
ное уменьшение длины образующей в зависимости от степени дефор-
мации (рис. 20.8) и В = 10...12 мм — припуск на подрезку тор-
цев.
Режим обработки. Увеличение степени деформации свыше 18...
20 % ограничивается наличием сварных швов у заготовки. При
отсутствии сварных швов (например, для заготовок, полученных
вытяжкой) относительная степень деформации может быть увели-
чена.
Для получения деталей высокой точности формообразование делят
на две операции: предварительную’, при которой деталь не доводят
до окончательных размеров на 2...3 %, и после термообработки,
окончательную калибровку.
Предельно допустимые степени деформации за одну операцию
для заготовок, полученных аргоно-дуговой сваркой, разные для
различных материалов. Например, для стали 20, 12Х18Н9Т, сплава
ХН75МБТЮ (без термообработки сварного шва) е = 0,18...0,20; а
для сплавов ВЖ98, ХН38ВТ — е » 0,07...0,09. При изготовлении
деталей за несколько операций после каждой из них деталь подверга-
ют термообработке.
Точность изготовления деталей. При формообразовании и
калибровке деталей растяжением происходит сокращение размеров
деталей вследствие упругих деформаций; окончательные размеры
деталей по диаметрам меньше номинальных
(размеров разжатого пуансона) на величину
упругой деформации
Рис. 20.8. График зависимости процесса утяжки заго-
товки по образующей ¥ от степени деформации г
457
D{ = D<1 + ®y),
(20.6)
где Dx — диаметр детали в конечный момент деформации; D —
размер детали по чертежу; ву — упругая деформация.
Величину упругой деформации (пружинения) компенсируют
двумя способами: увеличением размера разжимного пуансона на
величину упругой деформации или опусканием разжимного пуансона
по конусу вниз до достижения диаметра, равного сумме номинально-
го размера и величины упругой деформации.
При формообразовании деталей со степенью деформации 18...
20 % наибольшее утонение материала не превышает 10... 15 %, при
калибровке толщина стенки практически не изменяется.
Усилие деформировачия. Усилие пресса, необходимое для формо-
образования деталей, рассчитывается по формуле
<20.7)
3 А
где — толщина заготовки; Н — длина образующей заготовки; К —
коэффициент, учитывающий влияние формы детали: (для цилиндри-
ческих деталей к = 1,0; выпуклой К = 0,85; вогнутой К = 0,63); ов —
предел прочности при растяжении; А — величина, зависящая от
коэффициента трения р. (равен 0,2...0,3) и угла конуса а.
Выдавливание деталей с утонением. Этим
методом можно изготовить сложные детали цилиндрической и кони-
ческой форм с прямолинейной или криволинейной образующей,
имеющие постоянное, переменное или ступенчатое сечение стенок.
Схема выдавливания деталей с утонением, иногда называемого
ротационным выдавливанием.
ttp
приведена на рис. 20.9. Придание
детали требуемой формы обеспечи-
вается методом прокатки металла
путем перераспределения его объе-
ма.
Рис. 20.9. Схема выдавливания деталей с
утонением:
1 — заготовка; 2 — оправка; 3 — прижимы;
4 — давильный ролик
458
Процесс выдавливания деталей осуществляют иа токарно-давиль-
ных и специальных станках. Заготовку 1 зажимают между оправкой
2 и прижимом станка 3. К вращающейся заготовке подводится да-
вильный ролик 4, который под действием нормального и осевого
усилий, передаваемых суппортом, пластически деформирует заготов-
ку по мере перемещения ролика относительно оправки. Степень де-
формации (обжатия) при выдавливании
в = -л 100% - (1 - (sin«>100%.	(20.8)
Высота выдавливаемых с утонением деталей не зависит от степени
деформации и может быть получена любой величины, она зависит от
диаметра начальной заготовки и угла оправки. Оправки для выдавли*-
вания обычно изготовляются из инструментальной стали с твердостью
HRC 56...60; поверхности тщательно полируются. Давильные ролики
в вице усеченного конуса с радиусами закругления изготавливают из
быстрорежущей стали с твердостью до 70.
Заготовки. Вид заготовки зависит от материала, формы и разме-
ров детали. Заготовки могут быть получены из листового металла
вырубкой, глубокой вытяжкой. Заготовки могут быть плоскими в
виде диска, цилиндрическими, коническими, полученными предвари-
тельной вытяжкой, ковкой или горячей штамповкой, отливкой,
сваркой из труб.
При выдавливании наружный диаметр заготовок выбирают рав-
ным диаметру фланца детали, а внутренний диаметр заготовки
равным внутреннему диаметру детали. Толщину заготовки определя-
ют из условий равенства объемов металла заготовки и детали:
для цилиндрических деталей (рис. 20.10, а)
Ч -	<20.9)
•3
для конически.х деталей (рис. 20.10, б)
t3 = ^/sina,	(20.10)
459
Рис. 20.10. Определение толщины
заготовки при выдавливании цилин-
дрической (о) и конической (6) дета-
лей
где £д — толщина стенки детали;
i3 — толщина плоской заготовки
(диска); /д, Z3 — глубина внутрен-
ней полости цилиндрической
детали и заготовки соответствен-
но; а — угол конуса.
Режим выдавливания. Боль-
шинство сталей и сплавов обраба-
тывается при комнатной темпера-
туре. -Титан и его сплавы из-за низкой пластичности выдавливаются
только с подогревом до температуры около 540 °C. Давление на
ролик при выдавливании 200 • 107 ... 300 • 107 Н/м2. Большин-
ство металлов обрабатывают со скоростью около 300 м/мин и пода-
чей ролика 0,2...0,6 мм/об. За один переход можно изготовить детали
при условии, что степень деформации материала будет не более
75 % у цветных металлов и 65 % у стальных. Если степень деформа-
ции превосходит приведенные значения, то изготавливать деталь
следует в две операции с промежуточным отжигом.
Выдавливание осуществляется с охлаждением водной эмульсией
и смазкой детали суспензией коллоидного цинка или моледисульфит-
ными пастами.
Выдавливание с утонением обеспечивает: толщину стенки детали
ие менее 0,5 мм с точностью ±0,05, а по диаметру — ±(0,1...0,2) мм,
шероховатость поверхности Ra = 1,25...0,63 мкм.
Экономичность метода — иет потери металла в
стружку, относительно невысокая стоимость оборудования и оснас-
тки. Выдавливанием с утонением изготавливают валы, корпуса
компрессоров, подшипников, обтекатели, камеры сгорания и другие
детали.
Штамповка жидкостью. Формообразование деталей
давлением жидкостью по сравнению с обычными методами их изго-
товления имеет следующие преимущества: получение крупногабарит-
ных деталей, которые не могут быть изготовлены на существующих
прессах; изготовление деталей, размеры которых увеличиваются
460
Рис. 20.11. Схема штамповки жидкостью деталей замкнутого контура:
а — коническая заготовка; б — плоская заготовка; 1 — верхняя крышка; 2 — жидкость;
3 — заготовка; 4 — матрица; 5 — нижняя крышка
у дна; возможность изготовления деталей без применения прессов,- в
штампах-матрицах, устанавливаемых на полу или в специальных
установках.
Заготовки для штамповки жидкостью могут иметь плоскую форму
или замкнутый контур (цилиндрические, конические и др.). Этим
способом наиболее целесообразно изготовлять крупногабаритные
детали типа днищ н конусных деталей замкнутого контура при
сравнительно небольшой толщине. Схема штамповки жидкостью
деталей замкнутого контура показана на рис. 20.11.
Штамповка взрывом. Штамповку взрывом наиболее
эффективно применять при изготовлении крупногабаритных деталей
и узлов двигателей из различных конструкционных материалов, в
том числе нз высокопрочных, при больших толщинах (детали из
титановых н жаропрочных сплавов, молибдена и других материалов
диаметром до 6 м и толщиной до 15 см). Для осуществления штам-
повки взрывом необходимы: энергоноситель; среда, передающая
давление- (энергию взрыва) заготовке; матрица; дополнительные
устройства в зависимости от вида энергоносителя (труба, бак,
бассейн и др.)- В качестве энергоносителя используют: горючие
смеси, пороха и бризантные взрывчатые вещества (ВВ).
Штамповка горючими газовыми смесями (рис. 20.12) осущес-
твляется парами бензина, метила, ацетиленом, метаном и другими
газами, смешиваемыми с воздухом или кислородом. Нарастание
давления в горючей смеси (быстрее, медленнее) зависит от содержа-
ния кислорода н начального давления, при котором происходит
сгорание/Предварительное сжатие газовой смеси увеличивает конеч-
ное давление расширяющихся газов примерно пропорционально его
461
Рис. 20.12. Схема штамповки деталей
горючими газовыми смесями с пере-
дачей давления на заготовку жидкостью:
1 — верхняя крышка; 2 — заготовка; 3 —
вода; 4 — матрица; 5 — кислород; б —
свеча; 7 — горючие газы
7	6	5
Рис. 20.13. Схема штамповки деталей
взрывом:
1 — заготовка; 2 — матрица; 3 — во-
да; 4 — канал для вакуумирования
полости штампа; 5 — кольцевой заряд
ВВ; б — детонатор; 7 — бетон
величине. Давление горячей газовой смеси на заготовку может
’ передаваться непосредственно, жидкостью или через поршень во-
ДУ-
Штамповка бризантными взрывчатыми веществами (рис.
20.13). Время превращения бризантного ВВ в газообразные продукты
исчисляется долями секунды. Скорость детонации этих ВВ равна
1500...7500 м/с и зависит от типа бризантного вещества. Давление у
поверхности заряда может достигать 27000 МН/м2.
При единичном производстве матрицы изготавливают из дерева
и бетона с эпоксидной облицовкой. Верхняя часть таких матриц изго-
тавливается стальной.
Гидроэлектрическая штамповка (рис. 20.14).
При импульсном электрическом разряде высокого потенциала в жид-
кости, непосредственно в зоне канала разряда, образуется паровой
пузырь. Ударная волна, встречая на своем пути заготовку, передает
ей часть своей энергии, вследствие чего н происходит формование.
Обработка отверстий, углубле-
ний, выступов, отбортовка и зи-
говка.
Рис, 20.14. Схема гидроэлектрической штам-
повки деталей:
1 — электрод; 2 — вода; 3 — матрица; 4 —
заготовка; 5 — канал для воздуха; б — держа-
тель матрицы
462
Отверстия в деталях из листового материала сверлят или проби-
вают штампом. Если, например, отверстия расположены на напря-
женной части детали, то их обычно сверлят во избежание дополни-
тельных остаточных напряжений, которые могут возникнуть при
пробивке штампов и привести к образованию трещин н разрушению
детали во время ее работы. Отверстия сверлят также и в тех случаях,
когда они близко расположены друг к другу или когда отношение их
диаметров к толщине материала не превышает 1,0... 1,5. При don/t
s 1 возможны поломки пуансонов штампа. В зависимости от масшта-
ба производства н формы детали отверстия сверлят по разметке или
через кондуктор. При большом числе отверстий, близко расположен-
ных друг к другу, часто применяют кондукторы с делительным
устройством или агрегатные станки. Пробивку отверстий штампом
производят, как правило, на кривошипных прессах.
Углубления и выступы обычно оформляют штамповкой на эксцен-
триковых, кривошипных и фрикционных прессах в штампах. Однако
этот метод не всегда применим. Опытом установлено, что качествен-
ная штамповка углублений или выступов может быть получена при
отношении hid <. 1,0 для стальных деталей и hid < 1,3 для деталей
из алюминия и других мягких материалов. Здесь Ли d — глубина и
диаметр выступа.
Отбортовку малых отверстий производят в штампах со сменны-
ми пуансонами в расчете на проведение операции в несколько пере-
ходов. Зиговку выполняют на зигмашине, на шпинделях которой
установлены и закреплены специальные ролики. Перед установкой
обрабатываемой детали шпиндели разводят настолько, чтобы ролики
не препятствовали установке. Кроме специальных машин для зиговки
иногда используют токарные станки. Зиги выдавливают роликом,
свободно сидящим на оси державки, закрепленной в суппорте станка.
На токарных станках можно также отбортовывать кромки детали,
закатывать и выполнять другие подобные операции.
Механическая обработка. После вытяжки или тем более после
гибки кромки деталей получаются неровными, поэтому перед сваркой
их необходимо обработать. У деталей, свариваемых встык и имеющих
толщину стенок более 3 мм, снимагфг еще и фаску под углом 45°. В
некоторых случаях детали имеют переменную толщину стенки, тогда
также приходится проводить механическую обработку, используя
различные копировальные устройства.
Соединение деталей. Детали из листовых материалов соединяются
сваркой или пайкой, для чего они предварительно собираются в
специальных приспособлениях, обеспечивающих требуемое взаимное
их расположение. Иногда перед сваркой или пайкой детали соединя-
ют между собой сварными точками (прихватка). Качество сварки в
значительной мере определяется операциями сборки деталей под
463
сварку и совершенством сборочно-сварочных приспособлении. Для
сварки деталей двигателей применяются приспособления следующих
основных видов: шаблоны для правильной установки свариваемых
деталей; приспособления для закрепления деталей перед сваркой;
сборочные приспособления для установки и закрепления деталей.
Детали после сварки и термообработки часто бывают покороблены,
возникает необходимость их правки. Правку выполняют различными
способами. Детали простой формы при малых масштабах производ-
ства правят обычно вручную на болванках; узлы сложной формы,
особенно при значительных масштабах производства, калибруют в
специальных штампах или приспособлениях на прессах.
20.4. ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ
РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ИЗ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Для повышения надежности и ресурса работы деталей и
узлов горячего тракта двигателя широко применяется эмалирование;
в перспективе — нанесение жаростойких покрытий, ионно-лучевая
обработка.
Эмалирование. Эмали применяются для предохранения от окисле-
ния металлов и сплавов при длительном нагреве. Фритты, используе-
мые для приготовления жаростойких эмалей, получаются путем
грануляции шихты, расплавленной при 1350...1550 °C. Для жаростой-
ких эмалей используются фритты № 7, 8, 12, 13 и 14; их состав
многокомпонентный, основные из них: песок кварцевый (SiO2, ГОСТ
22551—77), окись алюминия (А12О3, ГОСТ 21285—75), окись кальция
(СаО, ГОСТ 8677—76), двуокись титана (ТЮ2, ГОСТ 9808—84) и др.
Например, жаростойкая эмаль ЭВК-103 из фритты № 12 состоит из
SiO2 (52,6 %), В2О3 (7 %), ВаО (8,8 %), СаО (7 %), MgO (1,8 %),
А12О3 (19,3 %), ТЮ2 (3,5 %), фритты поставляются в. виде порошка
размерам фракции не более 0,08 мм и в виде гранулята.
Технология нанесения жаростойкой эма-
л и ЭВК-103 содержит три основных этапа: подготовка поверхности
под эмалирование, нанесение эмали, оплавление эмали.
Подготовка поверхностей детали под эмалирование включает
следующие операции: обезжиривание в бензине Б-70 и в нефрасе,
сушка на воздухе, обжиг в электропечи при температуре 1000±10 °C
в течение 3...8 мин, охлаждение на воздухе. Затем поверхности
деталей, подлежащие эмалированию, обдувают электрокорундом
зернистостью 25...16 в течение 1...12 мин. Места, не покрываемые
эмалью, изолируют алюминиевой фольгой и изоляционной лентой.
464
Покрытие эмалью. Эмаль ЭВК-103 наносится пульверизатором
на расстоянии не менее 300 мм от эмалируемой поверхности, сушит-
ся на воздухе в течение 0,5...2 ч или в сушильном шкафу при темпе-
ратуре нагрева 100...120 °C в течение 15...20 мин.
Оплавление эмали. Детали, установленные в приспособление,
загружают в электропечь, имеющую температуру 1190 ±10 °C. Эмаль
оплавляется в течение 2...6 мин. Детали,, вынутые из печи охлажда-
ются на воздухе. Затем аналогично наносится второй слой эмали.
Эмалированный слой толщиной 40...120 мкм должен иметь ровную
блестящую поверхность без пузырей, прогаров, прогалин и темных
пятен.
20.5. ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ
ИЗ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА
Контроль деталей и узлов из листового материала пре-
дусматривает внешний осмотр, проверку размеров и формы, толщины
стенок, качества швов и их герметичности. Приемы контроля разме-
ров н формы обычные и почти не отличаются от приемов контроля
механически обработанных деталей.
В сварных или паяных узлах из листового материала особое
внимание уделяют контролю качества шва. Дефекты сварки или
пайки в узлах являются следствием неправильного процесса или
несоблюдения условий, предусмотренных соответствующими инструк-
циями и технологией, или неудовлетворительного качества основного
металла и других применяемых материалов, инструмента или обору-
дования.
Типичными дефектами сварных и паяных узлов являются: не-
полномерность шва; наплывы присадочного материала или припоя;
глубокие нсзадсланные кратеры; проплавление, выплески и ослабле-
ния основного металла при контактной сварке; непровары и несплав-
ление кромок; пористость или шлаковые включения; деформации н
коробления; микроскопические и макроскопические трещины; изме-
нения структуры швов и зоны термического влияния; загрязнения
металла швов вредными примесями (кислородом, азотом, серой и
др.). ,	*
Первые четыре вида дефектов обнаруживаются при визуальном
осмотре швов и часто называются внешними. Все остальные дефекты
при внешнем осмотре почти не заметны и требуют для их обнаруже-
ния специальных методов исследования, например рентгеновского,
магнитного, химического анализа или металлографического исследо-
вания и др.
Осмотр швов производят визуально с лупой или без нее как до
зачистки, так и после нее. В случае необходимости размеры щвов
измеряют шаблонами.
465
Металлографические макро- и микроструктурные исследования
наплавленного металла, зоны оплавления или диффузии припоя,
зоны термического влияния и основного металла позволяют опреде-
лить правильность выбранного режима сварки или пайки. Исследова-
ние микроструктуры особенно важно при сварке или пайке деталей
из жаропрочных сплавов.
Механические испытания сварных и паяных соединений произво-
дятся на образцах, вырезанных из одной детали от партии, или на
специально изготовленных. Механические испытания, статические
(растяжение, сжатие, изгиб) и динамические (удар, вибрация) выпо-
лняются по обычным методикам испытания металлов.
Просвечиваются швы рентгеновскими и гамма-лучами.
Герметичность проверяют у некоторых деталей гидравлических
н пневматических систем ГТД, баллонов, емкостей. Наиболее нагру-
женные и имеющие важное значение из них контролируют в процес-
се изготовления, а некоторые — только в узле. В процессе изготовле-
ния обычно проверяют трубопроводы, корпуса, баллоны. Герметич-
ность проверяют жидкостями (керосин, вода и др.) или газами (воз-
дух, азот и др.), которые под давлением подводят внутрь детали
(узла). Исйытуемое давление должно быть в 1,2...1,5 раза больше
рабочего. Негерметичность (наличие течи) определяют визуально,
по падению давления в испытуемой полости и при помощи течеиска-
телей.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.	Какие листовые материалы используют для деталей ГТД?
2.	Как рассчитывают форму и размеры плоской заготовки?
3.	Какие методы применяют для формообразования деталей из листа?
4.	Назовите технологические возможности формообразования деталей замкнутого
контура разжимными пуансонами, ротационным выдавливанием и штамповкой
взрывом.
5.	Какими технологическими методами можно повысить ресурс и надежность
работы деталей из листа?
ГЛАВА 21. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
21.1	. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ МАТЕРИАЛЫ
Конструкции корпусных деталей двигателя и его агрега-
тов столь же разнообразны, как и выполняемые ими функции: их
поверхности могут формировать проточную часть для воздуха, газа;
содержат различные разделительные полости и соединительные
466
каналы для топлива, масла, воздуха; они удерживают подшипники
вращающихся деталей, направляющие поступательно передвигаю-
щихся деталей, воспринимают усилия от этих деталей, от давления
газа, жидкости, передают их на корпус двигателя и от него ЛА. При
всем разнообразии форм корпусов, размеров, материалов они имеют
общие технологические особенности их конструкции: наличие функ-
ционально объединенных групп поверхностей с весьма жесткими
допусками на отклонение их положения внутри группы, несколько
менее жесткими допусками на параметры взаимного расположения
этих групп; включают большое число конструктивных элементов с
необработанными поверхностями (или только зачищаемыми), точ-
ность которых обеспечивается на заготовительных операциях. Для
функционально объединенных групп поверхностей ограничивают:
непараллельность плоскостей фланцев, осей соосных посадочных
поясков, неперпендикулярность осей посадочных поясков на длине
100 не более 0,02...0,05; неперпендикулярность резьбы плоскости
фланца на длине 100 не более 0,2; смещение крепежных отверстий
во фланцах от номинального положения не более 0,1...0,2. Сами
сопрягаемые поверхности должны быть обработаны по 6...7-му квали-
тету точности, шероховатость Ra = 2,5...0,63 мкм. Несопрягаемые
поверхности имеют точность 8...10-Й квалитета, шероховатость Ra =
~ 2,5 мкм.
Особые требования предъявляют к герметичности. Герметичность
отдельных корпусных деталей и собираемых из них узлов зависит от
плотности материала (в литых заготовках), точности выдерживания
толщин стенок (где они малы и есть опасность их отклонений, напри-
мер прн сверлении системы глубоких отверстий рядом со сложными
необрабатываемыми полостями заготовки), плотности соединений
сборных корпусов (сварных, паяных, механических). Последняя
зависит от точности предшествующей механической обработки сты-
куемых участков деталей корпуса, определяющей зазоры под сварку,
пайку, прилегание плоскостей стягиваемых фланцев н т.д.’
Построение технологического процесса, выбор технологического
оборудования, оснастки определяются конструктивно-технологически-
ми особенностями корпусов. По этим признакам корпуса делят на
группы.
1.	Крупногабаритные корпуса типа подкрепленных оболочек
вращения, сваренных из листов, точеных или фрезерованных флан-
цев (нз прогрессивных заготовок: получаемых с помощью методов
прессования фасонных профилей, их гибки и сварки; раскатки).
Привариваются также подкрепляющие ребра, перемычки, небольшие,
изготовленные нз литья или. штамповок фланцы, кронштейны, бо-
бышки (корпус компрессора, сопло и т.д.).
467
2.	Среднегабаритные корпуса коробчатого типа, часто с механи-
ческими разъемами, имеющие сложные полости, систему каналов,
изготовляемые из отливок (например, корпуса агрегатов, коробки
приводов).
3.	Среднегабаритные и небольшие сварные корпусные детали
сложных форм (например, корпуса опор, воспламенителей, диаф-
рагм).
4.	Мелкие корпусные детали очень разнообразных ферм, которые
могут прикрепляться и входить в состав предыдущих групп (детали
корпусов механизмов регулирования сопла, направляющих аппара-
тов, датчиков давления, температуры).
21.2.	ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Крупногабаритные сварные корпуса первой группы
имеют сложный технологический процесс, включающий этапы:
получение заготовок отдельных деталей, их механическая обработка
перед сваркой, сварка и другие сварочные операции; механическая
обработка корпусов в собранном виде. Так, примерный план обработ-
ки сварных корпусов компрессора, камеры-сгорания включает:
1)	предварительное и окончательное точение фланцев, промежу-
точных колец, подрезку торцев обечаек, отформованных из листа;
2)	комплектацию, обезжиривание, зачистку мест под сварку,
сборку в стапеле, прихватку (сваркой в нескольких точках), сварку,
приварку бобышек;
3)	термическую обработку;
4)	окончательную обточку посадочных поверхностей и торцев
фланцев;
5)	сверление отверстий, нарезание резьбы в бобышках н фланцах;
6)	слесарную зачистку, постановку втулок, футорок и другой
арматуры;
7)	контроль;
8)	нанесение антикоррозийных покрытий (жаростойких, теплоза-
щитных), окраску;
9)	сборку, прихватку отдельных секций в стапеле, сварку, зачис-
тку сварных швов;
10)	монтаж на корпус различных деталей и агрегатов.
Среднегабаритные корпуса коробчатого типа обычно имеют раз-
ветвленную систему внутренних полостей, каналов, фигурную форму
фланцев с множеством крепежных отверстий, сложную наружную
форму, поэтому их заготовки рационально (а часто необходимо)
получать литьем в кокиль для легких, сплавов (алюминиевые, магни-
евые), в графитовые, керамические формы с применением стержней
468
для образования полостей (из керамики); литьем по выплавляемым
моделям и другими методами, позволяющими получить высокий
коэффициент использования материала и точность корпусов из
коррозионно-стойких, теплостойких сталей, жаропрочных и титано-
вых литейных сплавов. Отливка сложных корпусных заготовок
связана с неизбежными короблениями. Чтобы обеспечить правильное
расположение обрабатываемых отверстий, плоскостей относительно
необрабатываемых, часто приходится применять операцию разметки
с последующей ориентацией по ней детали методом установки с
выверкой, после чего обрабатывают базы для автоматической уста-
новки детали в приспособления. Рекомендуются методы автоматичес-
кой выверки и оптимизации положения таких сложных заготовок с
помощью ЭВМ. Приведем характерный план обработки переднего
корпуса коробки агрегатов:
1)	разметка отливки с нанесением рисок на покрытии заготовки
(черная нитроэмаль) ;
2)	установка с выверкой по риске, фрезерование плоскостей
разъема корпуса (по фланцам) черновое и чистовое;
3)	сверление, зенкерование, предварительное и окончательное
развертывание по два базовых отверстия в каждом фланце;
4)	обработка системы сложных ступенчатых отверстий с простран-
ственной ориентацией их осей на многоцелевых станках с ЧПУ
.(например, с тремя управляемыми координатами шпинделя и управ-
ляемым поворотом стола с заготовкой на заданные углы). Операции
включают большое число переходов (порядка 50) типа: ’’фрезеровать
бобышку”, ’’зенкеровать поверхность”, ’’подрезать торец”, ’’расто-
чить”, ’’произвести круговое фрезерование кармана”, ’’предваритель-
ное (окончательное) развертывание”, ’’центровать центровочным
сверлом”;
5)	обработка системы глубоких отверстий на радиально-сверлиль-
ных станках;
6)	алмазная расточка на алмазно-расточных станках;
7)	электрохимическая обработка для удаления заусенцев;
8)	шабрение плоскостей фланцев с проверкой их прилегания по
краске;
9)	гидро- и пневмоиспытания герметичности;
10)	контроль.
Специфика плана обработки корпуса из магниевого сплава —
частое повторение операций восстановления оксидного покрытия во
избежание загорания. Вместо пневмоиспытаиий (с малым давлением)
могут проводиться гидроиспытания. Посадочные пояски и плоскости
фланцев могут обрабатываться на токарных станках. Возможны и
другие отличия.
469
В основу построения рационального технологического процесса
изготовления корпусных деталей коробчатого типа должна быть
положена идея типизации и построения групповых териологических
процессов. Облегчается применение станков с ЧПу, агрегатных
станков, ориентированных на данную группу корпусов. Они позволя-
ют большее число отверстий и других поверхностей обработать за
один установ, повышая точность их взаимного расположения.
При обработке мелких и средних корпусных деталей часто приме-
няют токарные и револьверные станки, а также токарные станки с
ЧПУ. Из-за малой массы и габаритных размеров перестановка заго-
товок не связана с какими-либо трудностями. Легко совместить
конструкторские и технологические базы. Первичной базой служит
одна из наружных цилиндрических необрабатываемых поверхностей.
Относительно нее обрабатываются поверхности центрального отвер-
стия и доступные наружные поверхности. Обработанное поверхности
используются как база на последующих операциях точения, сверле-
ния и фрезерования, нарезания резьбы и т.д.
Планы обработки среднегабаритных и небольших сварных корпу-
сов состоят из изготовления отдельных их деталей, Подготовки этих
деталей к сварке, сборки их в стапеле и прихватки, сварки и оконча-
тельной обработки посадочных и высокоточных других поверхностей
(например; расточка посадочных поясков под подшицники)..
21.3.	ВЫПОЛНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
Разметочные операции характерны для Наиболее слож-
ных литых заготовок корпусов коробчатой формы (рНс. 21.1). Обоб-
щенный операционный эскиз содержит условие выдерЖ^вания до
плоскости наносимой риски пяти размеров от поверхностей, которые
в готовой детали останутся необработанными (только зачищенными).
Это больше чем нужно для однозначного определения положения
плоскости, поэтому данные размеры разметчик. вЦцсрживает не
точно, а с допуском. Если в допуск не удается уло>^иться? значит
заготовка не может считаться годной. Для манипуляции с заготовкой
на разметочной плите она ставится по поверхности на регулируе-
мых домкрата. Автоматизация данной операции возможна только с
помощью ЭВМ (см. гл. 8) и соответству-
________________ Л ющего алгоритма. Далее для фрезерова-
ния поверхности базы Б положение заго-
I товки на столе фрезерного станка выве-
---------------------Г . ряется по разметочной риске с помощью
: Рис. 21.1. Разметка корпуса
470
Рис. 21.2. Обработка корпуса на станке с ЧПУ:
а — обработка группы поверхностей; б — наладка инструментов
аналогичных трех домкратов. После достижения требуемого положе-
ния заготовка закрепляется.
Типичная операция обработки показанного на рис. 21.1 корпуса
на многоцелевом станке с ЧПУ включает 48 переходов и 6 позиции,
при изменении которых стол с деталью поворачивается согласно
управляющей программе на углы 15, 24, 66, 90, 96 и 171°, чтобы оси
отверстий соответствующей группы поверхностей совпали с направле-
нием оси шпинделя станка. На рис. 21.2 показана одна из групп
поверхностей корпуса и характерные инструментальные переходы их
обработки; комбинированными зенкерами 1, 2, круговое фрезерова-
ние кармана 5, расточка канавки 4. Комбинированный и фасонный
инструменты позволяют совместить переходы, повышая точность
взаимного расположения поверхностей одной группы. Для достиже-
ния той же цели черновая и чистовая обработки поверхностей одной
группы завершаются в одной позиции.
При сверлении отверстий на наклонной поверхности рекомендует-
ся предварительно зенкером торцевать площадку, нормальную к оси
отверстия. Зенкерование, предварительное и окончательное разверты-
вание начальной ступени отверстия выполняются после сверления.
Для уменьшения увода сверла применяют предварительное сверление
коротким сверлом меньшего диаметра, зенкерование полученного
отверстия, окончательное сверление, для которого начальный участок
играет роль направляющей.
Для удаления заусенцев в местах пересечения масляных каналов
(отверстий) в них вставляются электроды (катоды), анод соединяется
471
с деталью. Перед включением рабочего тока проверяется отсутствие
короткого замыкания.
Пневмоиспытания герметичности крепежных отверстий произво-
дятся сжатым воздухом под давлением 0,1 МПа при погружении
детали в антикоррозионный раствор. Продолжительность испытаний
3 мин. Пузырьки воздуха не допускаются. Гидрсиспытания проводят
на специальной установке. Свободные выходы из внутренней полости
закрываются технологическими заглушками, и в нее подается транс-
форматорное масло с избыточным давлением 0,4 МПа при температу-
ре 60...70 °C. Течь не допускается. Совпадение масляных каналов
проверяется проволокой и визуально с помощью подсветки и зеркала.
Прилегание Торцев проверяется по краске. На фланцах зона отпе-
чатка краски должна полностью охватывать герметизируемую по-
лость и составлять не менее 80 % площади контакта.
21.4.	СПЕЦИФИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Применение композиционных материалов (стеклопласти-
ков, углепластиков, керамики и др.) для корпусных деталей ВРД
вместо металлических деталей или в сочетании с ними (армирова-
ние) — резерв уменьшения их массы, повышения химической стой-
кости, жаростойкости, демпфирования колебаний. Номенклатура
композиционных материалов быстро расширяется. Их свойства
весьма разнообразны, а главное — сильно зависят от структуры —
конструкции самого материала. Причем для каждой конструкции
корпуса и условий его нагружения при изготовлении должна форми-
роваться своя оптимальная структура. Это достигается применением
соответствующего оборудования с ЧПУ. Важно также, чтобы в про-
цессе формообразования большинство поверхностей детали были
получены с окончательной точностью, чтобы при механической
обработке не нарушать этой оптимальной структуры (перерезание
волокон в волокнистых композитах, удаление особо прочного повер-
хностного слоя керамики и т.п.). Особо точные сопрягаемые повер-
хности могут быть включены в металлические фланцы и другие
детали, вплетаемые (или соединяемые другими способами в компози-
ционный материал) с учетом обеспечения их надежной совместной
работы. Наиболее гибко с условиями нагружения детали увязывается
структура композиционных материалов, состоящих из матрицы
(связующее), премированной переплетаемыми волокнами: стеклоплас-
тики, углепластики и др. Тип связующего определяет допускаемую
температуру, герметичность; материал волокон, пространственная
структура их переплетения — прочность. Так, для корпусов, работаю-
472
a)
Рис. 21.3. Структура укладки волокон в деталях из композиционного материала:
а — переменное армирование; б — ортогональная укладка углеродных волокон
щих до 250 °C, применялись стеклопластики с нитями диаметром
14... 16 мкм, содержащие отверждаемое связующее (по массе 30...
40 %), кремнеорганические соединения, фенолформальдегидные
смолы и др.
Крупногабаритные корпуса типа тел вращения изготавливают
намоткой стеклянных нитей, жгутов, лент, тканей на специальные
оправки, устанавливаемые в патрон, закрепленный на шпинделе
станка с ЧПУ. Это стекловолокно сматывается с бобин, насаженных
на оси каретки, перемещающейся в соответствии с командами управ-
ляющей программы по координатам X и Z. Размещенный на каретке
манипулятор дополнительно направляет стекловолокно (всего на
станке до пяти управляемых координат). Можно получить намотку
с переменной структурой по толщине и длине детали, обеспечивая
высокое сопротивление давлению, изгибу и кручению наружных
слоев, а внутри — достаточное сопротивление сдвигу (рис. 21.3, п).
Пропитка связующим может выполняться: 1) в процессе намотки
(мокрая) пропусканием стеклонитей через ванну; 2) с предваритель-
ной подсушкой пропущенных через ванну стеклонитей (полусухая)
и последующей намоткой ими (их называют препрегами) изделия,
после чего связующее размягчается нагревом; 3) сухая намотка
каркаса волокон с последующей пропиткой в вакууме с подачей
связующего под давлением. Перед намоткой на оправку наносится
покрытие, предохраняющее изделие от залипания. После пропитки
выполняется операция опрессовки, обычно сочетающаяся с термооб-
работкой, вызывающей отверждение связующего: в штампах с элек-
троподогревом (давление берется от гидравлического пресса) или в
автоклавах. Давление при опрессовке 4...6 МПа, температура 150...
160 °C. Далее вдет механическая обработка; обрезка кромок, точение
посадочных поясков.
473
Корпуса коробчатой формы можно набирать выкладкой (роботом
или вручную) предварительно раскроенных и пропитанных стеклот-
каней или листового стеклопшона в пресс-форме. Далее, как обычно,
идут прессование с термообработкой, механическая обработка.
Резкое повышение рабочей температуры достигается применением
нового класса композиционных материалов, состоящих из каркаса
углеродных волокон (рис. 21.3, б) в углеродной матрице. Технология
получения каркаса аналогична таковой для стеклопластика. Матрица
получается двумя методами.
1. Каркас-пропитывается углеродосодержащими жидкостями (тер-
мореактивяыми фенольными и другими смолами, пеками из каменно-
угольной смолы, нефти). Далее идет отверждение с термообработкой,
карбонизация (650... 1100 °C), графитизация (2600...2750 °C). Высо-
кая плотность достигается многократным повторением этих циклов
(р ~ 1,7 г/см3).
2. Химическое осаждение углерода из метана или природного газа,
остальное — как в первом способе. Корпуса из таких углерод-угле-
родных материалов не требуют охлаждения при высоких эксплуата-
ционных температурах. Их можно использовать для корпусных
деталей, не требующих герметичности. Недостаток — очень продо-
лжительный технологический цикл и пока высокая стоимость. Детали
имеют высокую жесткость, что важно для корпусов, имеющих весьма
малую массу.
Обширная литература посвящена обзорам опыта разработки
керамических материалов для поршневых и газотурбинных двигате-
лей. Используются скислы алюминия, циркония, нитриды и карбиды
кремния и их различные композиции. Они спекаются после прессова-
ния их смесей со связующим при 1400...2100 °C. При рабочих темпе-
ратурах до 1100 °C они превосходят по удельной прочности металлы
(при изгибе, износе). Корпусные детали ВРД — одно из вероятных их
применений. Основная проблема, сдерживающая их использование,
— хрупкость. После спекания их обрабатывают шлифованием алмаз-
ными кругами. Плотность керамик выше, чем у углерод-углеродного
материала, ее диапазон 2,5...3,5 г/см. Но их технология проще, они
дешевле, в 2,5...3 раза легче жаропрочных сплавов, не требуют
охлаждения.
ВОПРОСЫ для самоконтроля
1.	На какие группы делятся корпуса по конструктивно-технологическим
признакам?
2.	Зачем нужны операции разметки заготовок корпусов и как их можно автомати-
зировать или исключить?
3.	Как обеспечиваются требования к точности взаимного расположения конструк-
тивных элементов сложных корпусов ДЛА?
4.	Каковы перспективы изготовления корпусов из композиционных материалов —
волокнистых и керамики?
474
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электроники и
ионной технологии. М.: Высшая школа, 1984. 320 с.
2.	Афонькин М.Г., Магницкая М.В. Производство заготовок в машиностроении.
Л.: Машиностроение, 1987. 256 с.
3.	Балабанов А.Н. Технологичность конструкций машин. М.: Машиностроение.
1987. 336 с.
4.	Евстигнеев М.И., Подзей А.В., Сулима А.М. Технология производства двигате-
лей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. 260 с.
5.	Иващенко И.А., Иванов Г.В., Мартынов В.А. Автоматизированное проектирова-
ние технологических процессов изготовления деталей двигателей летательных аппара-
тов. М.: Машиностроение, 1992. 336 с.
6.	Ковшов А.Н. Технология машиностроения. М.; Машиностроение, 1987. 320 с.
7.	Маталин А.А. Технология машиностроения. М.—Л.: Машиностроение, 1985.
496 с.
8.	Никитин А.Н., Серебренников Г.З. Технология сборки и автоматизация
производства воздушно-реактивных двигателей. Мл Машиностроение, 1992. 368 с.
9.	Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.И. Лазерная и электронно-лучевая
обработка. М.: Машиностроение, 1985. 570 с.
10.	Серебренников Г.3. Оптимизация технологии изготовления тяжелонагружен-
ных деталей с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1981. 200 с.
IL	Справочник технолога-машиностроителя: В 3 т./ Под ред. А.Г. Косиловой и
Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение. Т. I, 1986, 656 с.; т. 2, 1985. 496 с.
12. Сулима А.М., Шулов В,АЧ Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатаци-
онные свойства детвлей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
475
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...	......................... • - 4
Раздел I
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
Глава 1. Технологический процесс и его структура (основные понятия и опре-
деления) ..............................................................7
1.1.	Производственный и технологический процессы ....................7
1.2.	Структура технологического процесса..........................  8
1.3.	Виды операций и этапы технологического процесса...............10
1.4.	Концентрация и дифференциация операций....................... 11
1.5.	Технологическая классификация оборудования....................13
1.6.	Типы машиностроительного производства..	 *14
1.7.	Способы получения заданных размеров.........................  16
Глава 2. Базирование и базы в машиностроении............................. 17
2.1.	Основные понятия теории базирования.......................... 17
2.2.	Классификация поверхностей и баз ...................... -	19
2.3.	Выбор технологических баз ..............................21
2.4.	Закрепление'заготовок	................. .24
Глава 3. Точность обработки ............................................  25
3.1.	Точность и погрешности обработки...........................   25
3.2.	Причины, вызывающие погрешности обработки.....................26
3.3.	Погрешности систематические и случайные ....................  34
3.4.	Аналитические и статистические методы определения погрешностей
обработки .................................................... 35
3.5.	Экономическая точность обработки............................ .58
Глава 4. Поверхностей слой и эксплуатационные свойства детали.............61
4.1.	Поверхностный слой детали...........................'.........61
4.2.	Шероховатость и волнистость поверхности ......................63
4-3. Физико-химическое состояние поверхностного слоя................67
4.4.	Остаточные напряжения ......................................  72
4-5. Классификация параметров поверхностного слоя деталей...........77
4-6. Влияние методов и режимов обработки на параметры поверхностного
слоя деталей ............................................ 79
4.7.	Влияние поверхностного слоя на эксплуатационные свойства
деталей .....................................................  84
4-8. Выбор параметров поверхностного слоя детвли с учетом заданных
условий эксплуатации и их	технологического обеспечения.99
Глава 5. Технологические методы повышения надежности и долговечности
работы деталей машин ................................................. 100
5.1.	Упрочнение поверхностным пластическим деформированием	...	101
5.2.	Поверхностная термическая и термомеханическая обработка ....	106
5.3.	Загцитно-упрочняющие покрытия.............................   108
5.4.	Химико-термическая обработка ..............................  124
5.5.	Лазерная обработка.......................................... 131
5.6.	Ионное легирование .......................................   134
5.7.	Оптимизация методов и режимов обработки .................... 138
476
Глава 6. Технологичность конструкций деталей, узлов изделий ......... 142
6.1.	Общие понятия....................................        .	142
6.2.	Критерии оценки технологичности.......................... 144
6.3.	Этапы обработки технологичности конструкции.............. 145
6.4.	Технологичность деталей из штампованных заготовок........ 146
6.5.	Технологичность конструкций литых деталей ............... 147
6.6.	Технологичность конструкций деталей из листовых материалов ... 148
6.7-	Технолошчность деталей, обрабатываемых резанием.......... 150
Глава 7. Проектирование технологических процессов механической обработки
деталей ............................................................. 153
7.1.	Исходные данные для проектирования технологических процессов . 153
7.2.	Изучение и анализ чертежа детали........................ 154
7.3.	Установление типа и организационной формы производства . .	155
7.4.	Выбор вида заготовки и метода ее получения...............155
7.5.	Построение плана обработки детали . .................... 156
7.6.	Разработка операций технологического процесса .	. . .,.. 158
7.7.	Техническое нормирование операций....................... 165
7.8.	Экономический анализ операций технологического процесса .... 167
7.9-	Технологическая документация ........................... 169
7.10.	Методы повышения производительности труда и снижения себе-
стоимости изготовления деталей ГТД............................ 170
Глава 8. Автоматизированное проектирование технологических процессов обра-
ботки деталей........................................................ 172
8.1.	Задачи САПР ТП ГТД ..............................:....... 172
8.2.	Методы типизации......................................... 177
8.3.	Методы синтеза .....................................     1'84
8.4.	Методы математического моделирования.................... .	192
Раздел II
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Глава 9. Обработка наружных поверхностей тел вращения................ 204
9.1. Точение, фрезерование, протягивание и шлифование наружных по-
верхностей тел вращения ...........................,...... 204
9-2. Отделка наружных поверхностей тел вращения................211
Глава 10. Обработка отверстий.................................... »	. . 212
10.1.	Виды отверстий и методы их обработки.................... 212
10.2.	Обработка отверстий лезвийным инструментом ...........•. . 213
10.3.	Обработка отверстий абразивным инструментом............. 221
10.4.	Обработка отверстий поверхностным пластическим деформиро-
ванием (ППД) ...............................................   226
10.5.	Обработка глубоких отверстий и отверстий малых диаметров . . . 227
Глава 11. Обработка плоских поверхностей .'.......................... 230
11.1.	Обработка плоских поверхностей строганием и долблением....230
11.2.	Обработка плоских поверхностей фрезерованием............ 232
11.3.	Обработка плоских поверхностей протягиванием ............. 234,
11.4.	Обработка плоских поверхностей шлифованием.............. 235
11.5.	Обработка плоских поверхностей притиркой, полированием и шаб-
рением’....................................................... 238
477
Глава 12. Обработка фасонных поверхностей.............................239
12.1.	Обработка конических поверхностей........................239
12.2.	Обработка сферических поверхностей...................... 240
12.3.	Обработка поверхностей вращения произвольного профиля .	- 241
12.4.	Обработка линейчатых фасонных поверхностей............ .	243
12.5.	Обработка пространственных фасонных поверхностей . .	. . 247
Глава 13. Обработка резьбы..........................................  250
13,1.	Нарезание резьбы резцами и гребенками....................250
13.2.	Нарезание резьбы’метчиками, плашками и резьбонарезными го-
ловками ...............-.................................... .	251
13.3.	фрезерование резьбы .................................... 252
13.4.	Накатывание резьбы...................................... 254
13.5.	Шлифование резьбы....................................... 256
Глава 14. Физико-химическая обработка поверхностей ....	. . 257
14-1. Электроэрозионная обработка..........................    258
14.2.	Электрохимическая размерная обработка ...	  261
14.3.	Электрохимическое полирование ......................  ..	265
14-4.	Химическое травление............. .	............. .	266
14.5.	Ультразвуковая обработка ................................267
14.6.	Электронно-лучевая и светолучевая обработки .	269
Раздел III
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД
Глава 15. Изготовление дисков ......................................  271
15.1.	Конструкция, технические условия и материалы ......... .	271
15.2.	.Построение технологических процессов изготовления дисков .... 275
15.3.	Выполнение основных операций обработки дисков............278
15.4.	Повышение ресурса и надежности работы дисков технологическими
методами ...................... , .	.....	.	. . 281
15.5.	Технический контроль дисков ........................   .	283
Глава 16. Изготовление лопаток....................................... 284
16.1.	Конструкции, технические условия и материалы лопаток турбины 286
16.2.	Построение технологических процессов изготовления лопаток
турбины....................................................... 290
16.3.	Выполнение основных операций технологического процесса изго-
товления лопаток турбины...................................... 303
16.4.	Повышение ресурса и надежности работы лопаток турбины техноло-
гическими методами ........................................... 309
16.5.	Изготовление керамических лопаток турбины................315
16.6.	Конструкция, технические условия и материалы лопаток компрес-
сора. Классификация лопаток....................................325
16.7.	Построение технологического процесса изготовления лопаток
компрессора.................................................... 329	
16.8.	Выполнение основных операций технологического процесса изго-
товления лопаток компрессора ................................. 335
16.9.	Повышение ресурса и надежности работы лопаток компрессора
технологическими методами...................................   346
16.10.	Технический контроль лопаток ГТД ..................   .	351
478
Глава 17. Изготовление крыльчаток ........................-........... 356
17-1- Конструкция, технические условия и материалы ............. 356
17-2. Построение технологических процессов изготовления крыльча-
ток . ...................................................   358
17.3.	Выполнение основных операций изготовления крыльчаток .... 364
17.4.	Повышение ресурса и надежности работы крыльчаток технологи-
ческими методами................................................ 368
17.5.	Технический контроль крыльчаток.......................... 369
Глава 18. Изготовление валов турбины и компрессора.................... 371
18.1.	Конструкция, технические условия, материалы и технологичность
валов.......................................................     371
18.2.	Построение технологического процесса изготовления валов ком-
прессора и турбины ............................................. 372
18.3.	Выполнение основных операций технологического процесса изго-
товления валов..............................................     384
18.4.	Повышение ресурса и надежности работы валов компрессора
и турбины технологическими методами............................. 394
18.5.	Технический контроль валов ......................... ....	394
Глава 19. Изготовление зубчатых колес ................................ 395
19.1.	Конструкция, технические условия, материалы и технологичность
зубчатых колес..................................,............... 395
19.2.	Построение технологического процесса изготовления зубчатых
колес.......................................................     406
19.3.	Выполнение основных операций технологического процесса изго-
товления зубчатых колес ........................................	416
19.4.	Повышение ресурса и надежности работы зубчатых колес техноло-
гическими методами ............................................. 438
19.5.	Технический контроль зубчатых колес ................ ....	440
Глава 20. Изготовление деталей из листовых материалов....	........ 445
20.1.	Конструкция, технические условия и материалы ............ 445
20-2. Построение технологических процессов изготовления деталей и
узлов из листовых материалов. Заготовки ................... 447
20.3.	Выполнение основных операций технологического процесса изго-
товления деталей из листа....................................... 450
20.4.	Повышение ресурса и надежности работы, деталей и узлов из
листовых материалов технологическими методами .................. 464
20.5.	Технический контроль деталей и узлов из листового материала . . 465
Глава 21. Изготовление корпусных деталей ......................... ...	466
21.1.	Конструкция, технические условия и материалы .............466
21.2.	Построение технологического процесса...........' .........468
2Г.З. Выполнение основных операций.............................. 470
21.4.	Специфика изготовления корпусных деталей из композиционных
материалов....................................................   472
Список литературы ..................................*................. 475
479
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Сулима Андрей Михайлович
Носков Анатолий Алексеевич
Серебренников Геннадий Зиновьевич
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Редакторы Т.П. Топчий, Е.В. Рослякова
Художественный редактор Т.Н. Галицына
Технический редактор С.А. Жиркина
Корректор Е.Н. Подкорытова
ИБ N 7752
Лицензия ЛР N 080003 от 15.08.91
Сдано в набор 07.12.95.	Подписано в печать 3.04.96.
Формат 60*88 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать офсетная.
Усл.печ.л. 29,4<	Усл.кр.-отт.29 4.	Уч.-изд.л. 30,77-
Тираж 1 000 экз.	Заказ 13
Ордена Трудового Красного Знамени издательство ’’Машиностроение”,
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Отпечатано в АООТ ”Политех-4”
129110, Москва, ул. В. Переяславская, 46, с оригинала-макета, изготовленного
в издательстве "Машиностроение" на персональных ЭВМ