Технология авиастроения

Технология авиастроения

область технологии машиностроения, включающая процессы, методы, способы и технические средства изготовления изделий авиационной техники.
В начальный период развития авиационной техники Т. а. располагала ограниченными средствами, которые определяли характер технологических процессов при создании ЛА, изготовлявшихся в основном из деревянных деталей с использованием полотняной обшивки. В заготовительном производстве преобладали деревообрабатывающие операции, на сборке применялось главным образом склеивание деталей органическими клеями. Подавляющее большинство операций производилось вручную; сборка узлов и агрегатов — без специальных приспособлений с подгонкой деталей по месту сопряжения. По мере увеличения в планёре числа металлических деталей стала применяться обработка металлов резанием, в основном точение, сверление и фрезерование на универсальном оборудовании; совершенствовались слесарно-сборочные работы.
В 20-е гг. с началом создания цельнометаллических самолётов появились новые технологические операции: изготовление деталей из металлических листов, профилей и труб, а также новые виды соединений, в том числе неразъёмных — ручная клепка и ручная кислородно-ацетиленовая сварка. Для получения плоских металлических деталей разработаны методы раскроя листовых заготовок, штамповки и прессования. При сборке узлов и агрегатов нашли применение специальные приспособления. В 30-е гг. интенсивно развивались специфические для авиационной промышленности технологические процессы и технические средства оснащения производства, в том числе процессы механизированной потайной клёпки.
Сокращению сроков освоения новой авиационной техники способствовало внедрение типизации технологических операций и процессов, стандартизации элементов технологической оснастки и инструмента. Трудоёмкие ручные операции постепенно заменены механизированными: изготовление деталей из листов и профилей на молотах и прессах, клёпка пневмомолотками, а также с использованием переносных и стационарных прессов, выполнение сварных соединений электродуговой, атомно-водородной и электроконтактной сваркой. Для увязки геометрических параметров составных частей ЛА (агрегатов), аэродинамические обводы которых стали более сложными, был разработан плазово-шаблонный метод. Значительное увеличение выпуска самолётов в период Великой Отечественной войны потребовало расширения механизации технологических процессов, применения поточной и поточно-конвейерной сборки ЛА и авиационных двигателей. В послевоенные годы в связи с созданием реактивной техники для технологического обеспечения производства разработаны новые технические средства и технологические процессы изготовления заготовок, деталей, узлов и агрегатов ЛА. К ним относятся: получение заготовок крупногабаритных тонкостенных деталей (например, панелей из алюминиевых сплавов) литьём способом выжимания; корпусных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов литьём под низким давлением; деталей из жаропрочных и магниевых сплавов штамповкой на молотах и прессах; изготовление деталей из листов и профилей методами группового раскроя листовых заготовок на копировально-фрезерных станках; получение обшивок ЛА одинарной и двойной кривизны гибкой, прокаткой, обтяжкой или обтяжкой с растяжением; листовых деталей сложных форм вытяжкой; бесшовных тонкостенных оболочек постоянной и переменной толщины с оребрением раскаткой и выдавливанием; корпусных деталей кольцевой обтяжкой разжимными пуансонами, гибкой или гибкой с растяжением. В области обработки деталей резанием разработаны и освоены такие процессы, как контурное фрезерование длинномерных деталей (поясов лонжеронов, стрингеров и поясов балок) переменного сечения на специализированных станках со следящими копировальными устройствами; фрезерование сложных силовых деталей на копировальных станках с гидравлическим следящим приводом; обработка профиля пера, замковой части и кромок лопаток газотурбинных двигателей на копировальных фрезерных, шлифовальных и доводочных станках; обработка деталей из жаропрочных сплавов и высокопрочных сталей с интенсификацией режимов резания.
Различными способами сварки обеспечиваются сварные соединения. Ручной и автоматической аргоно-дуговой сваркой соединяют элементы деталей из сталей и лёгких сплавов; автоматической сваркой в среде защитных газов — стальные изделия; полуавтоматической и автоматической сваркой под флюсом — детали из сталей; импульсной сваркой — тонкие оболочки, сильфоны и гибкие металлические рукава; механизированной контактной точечной и роликовой сваркой — различные элементы листовых заготовок; термоимпульсной и УЗ сваркой — полимерные материалы.
Для выполнения сборочно-клепальных работ созданы и освоены различные способы монтажа сборочной оснастки из нормализованных элементов с использованием плазкондукторов и инструментальных стендов; приёмы сборки узлов, секций, отсеков и агрегатов ЛА по сборочным и базовым отверстиям. Получило распространение механизированное сверление и зенкование отверстий под заклёпки и болты; полуавтоматическая групповая прессовая клёпка плоских каркасных узлов и панелей, освоено выполнение высокоресурсных герметичных заклёпочных соединений.
Дальнейшее интенсивное развитие Т. а. связано с созданием сверхзвуковых самолётов, пассажирский самолётов новых поколений, а также с применением в авиастроении нержавеющих высокопрочных сталей и титановых сплавов. Для технологического обеспечения производства ЛА разработаны такие процессы, как изготовление деталей и моноблочных элементов конструкций на станках с числовым программным управлением (ЧПУ); электрохимическая и электрофизическая, электронно-лучевая и лазерная обработка, виброупрочнение поверхностей деталей. Продолжается совершенствование изготовления деталей и узлов из лёгких цветных и жаропрочных сплавов.
Развитие Т. а. в 80-е гг. определялось дальнейшим расширением номенклатуры изделий авиационной техники, повышением их эксплуатационных характеристик. Усложнение аэродинамических обводов ЛА, улучшение характеристик ГТД, повышение требований к точности и качеству изготовления узлов и деталей потребовало расширения применения труднообрабатываемых материалов, в особенности титановых сплавов и жаропрочных сталей. В связи с увеличением размеров самолётов и вертолётов возросло применение монолитных крупногабаритных деталей (нервюр, шпангоутов, балок, стенок), в том числе длиной до 30 м из высокопрочных алюминиевых сплавов (панелей крыла, поясов лонжеронов и др.). Всё в большем объёме применяются сотовые клеёные, сварные и паяные конструкции, а также конструкции с деталями из полимерных композиционных материалов.
Для технологического обеспечения создания и серийного производства новой авиационной техники современная Т. а. располагает совокупностью процессов, методов, способов и технических средств изготовления различных видов заготовок, деталей, узлов и агрегатов на всех этапах производства от заготовительного до отделочной обработки и сборки.
В заготовительном производстве применяются технологии, обеспечивающие изготовление заготовок с высокими и стабильными прочностными свойствами, с минимальными припусками на механическую обработку и минимальной дополнительной размерной обработкой поверхностей.
В области технологии литья эта задача решается путём освоения технологических процессов точного стального и титанового литья, в том числе литья под давлением, в вакууме, обеспечивающих повышение прочности и плотности отливок, процессов для получения тонкостенных отливок, работающих в условиях высоких знакопеременных нагрузок, литья с использованием эффекта направленного затвердевания расплава.
В кузнечно-штамповочном производстве выпуск точных заготовок из высокопрочных и труднодеформируемых сталей, титановых и др. сплавов обеспечивается такими прогрессивными процессами, как малоокислительный и безокислительный нагрев, нагрев с применением защитно-смазочных покрытий, деформирование на высокоскоростных молотах, деформирование в изотермических условиях и условиях сверхпластичности, электровысадка, холодное выдавливание, высокоскоростная штамповка, горячее деформирование композиционных и порошковых материалов в условиях сверхвысокого гидростатического давления. Для технологии заготовительно-штамповочного производства характерно получение сложных деталей из труднодеформируемых материалов, внедрение процессов пластического деформирования взамен процессов резания, а также снижение ручных доводочных работ в результате изготовления деталей из листов, профильных материалов и труб.
Специфические процессы механической обработки деталей в авиастроении включают: фрезерование монолитных панелей больших размеров, фрезерование сотовых заполнителей, изготовление лопаток, валов и дисков газовых турбин и др. процессы. Механическая обработка осуществляется на специальном и специализированном металлорежущем оборудовании, часто с ЧПУ. В конце 60-х гг. получили распространение технологические процессы размерного химического травления, электрохимической и электрофизической обработки. Область их применения всё более расширяется.
Размерное химическое травление применяется для обработки крупногабаритных листовых деталей сложного профиля (типа обшивок, панелей), для удаления тонких слоёв материала с поверхности деталей с целью уменьшения их массы и шероховатости и повышения точности, для получения клиновых сечений деталей.
Важное место в Т. а. занимает термическая обработка металлов. Специфичной для Т. а. является термообработка в защитных средах и с применением высококонцентрированных источников нагрева, в том числе скоростная электротермическая обработка тонкостенных корпусных деталей из высокопрочных сталей и титановых сплавов; несимметричных стальных изделий с большой толщиной стенок; поверхностей деталей и узлов, работающих в условиях ударного нагружения и износа. При изготовлении крупногабаритных сварных конструкций из титановых сплавов применяется термообработка в вакууме и аргоне, совмещённая с термической правкой, с релаксацией упругих напряжений. Технология термообработки развивается в направлении совершенствования методов упрочняющей обработки крупногабаритных изделий, конструкций из высокопрочных материалов, создания принципиально новых способов упрочнения, обеспечивающих полную реализацию прочностных возможностей материалов.
Упрочняющая обработка в Т. а. необходима при изготовлении большой номенклатуры алюминиевых, стальных и титановых деталей, работающих в широком диапазоне нагрузок и температур, а также для обеспечения надёжной работы контактирующих поверхностей подвижных и неподвижных соединений, в том числе поверхностей сквозных и глухих отверстий. Используются различные методы поверхностного пластического деформирования — пневмодинамический, ударно-барабанный, гидродробеструйный, а также методы раскатывания, обкатывания, алмазного выглаживания, глубокого пластического деформирования. Совершенствование упрочняющей обработки направлено на повышение производительности оборудования и улучшение качества; одним из направлений является применение программного управления процессами.
Сборка в общей трудоёмкости изготовления авиационной техники составляет 40—50%. Заданную точность и взаимозаменяемость составных частей ЛА обеспечивают методы увязки геометрических параметров: плазовые, эталонные, программные. Высокое качество сборки частей ЛА, включающих крупногабаритные детали, даёт применение их предварительной комплектации. Точность стыковки отсеков и агрегатов и их взаимозаменяемость гарантируются обработкой отверстий и поверхностей разъёмов и стыков в разделочных стендах. Совершенствование технологии сборки направлено на сокращение подгоночных работ, на повышение уровня механизации и автоматизации сборочных процессов, а также на повышение точности и улучшение качества аэродинамических поверхностей ЛА.
Для получения соединений элементов конструкций ЛА наиболее широко применяются установка болтов, различные способы клёпки и сварки, пайка, склеивание. Соединение обшивки с элементами каркаса и соединение элементов каркаса выполняются клёпкой или контактной сваркой.
Клёпка открытых конструкций типа плоских каркасных узлов и панелей ведётся на стационарных прессах и автоматах. При сборке закрытых конструкций применяется ударная клёпка пневматическими молотками, клёпка переносными прессами, соединение заклёпками с односторонним подходом и безударная клёпка болтами-заклёпками. В технологии клёпки наблюдается сокращение объёма ударной клёпки, в том числе путём расширения области применения контактной сварки, односторонней прессовой и автоматической клёпки заклёпками-стержнями с одновременным образованием двух замыкающих головок.
Сборка с применением сварки характерна для Т. а. При этом используются высококонцентрированные источники тепла, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния и минимальные остаточные деформации. К числу этих процессов относятся электроннолучевая, плазменная и лазерная сварки стальных и титановых деталей — обшивок, оболочек, роторов, панелей, рам, балок, стоек шасси, ёмкостей, отсеков и т. д. Плоские каркасные узлы и панели фюзеляжа, а также сотовые панели из титановых сплавов и жаропрочных сталей изготовляются с применением точечной и роликовой сварки, а кольцевые заготовки — контактной сваркой на стыковых машинах. В области технологии получения сварных соединений осваиваются способы сварки в твёрдой фазе (диффузионная, магнитно-импульсная, взрывом и др.), а также методы снижения деформаций сварных конструкций. Созданы первые гибкие интегрированные технологии и специальное оборудование, позволяющее на одном рабочем месте выполнять всю подготовку под сварку, сварку и зональную термическую обработку с контролем качества.
Эффективным способом получения неразъёмных соединений деталей из высоколегированных жаропрочных сталей и титановых сплавов является высокотемпературная пайка, применяемая при изготовлении узлов ГТД (камер сгорания, турбин, компрессоров высокого давления), панелей с сотовым заполнителем и др. узлов.
Технологические процессы склеивания применяются при сборке узлов и агрегатов с сотовыми заполнителями, с гофровым заполнителем, при соединении деталей из металла, стекла, резины, пластмасс, при креплении теплозащитных покрытий. Склеивание используется также в комбинированных соединениях (клеесварных, клееклёпаных, клееболтовых и др.). С помощью склеивания осуществляется изготовление лопастей винтов вертолётов, обшивки и панелей фюзеляжа, панелей хвостовых частей крыла и оперения, секций и панелей предкрылков, закрылков и тормозных щитков.
В Т. а. значительный объём работ связан с обеспечением герметизации различных узлов, топливных и воздушных отсеков, подвижных и неподвижных разъёмов агрегатов, клёпаных и болтовых соединений. Совершенствование технологий склеивания и герметизации направлено на повышение уровня механизации и автоматизации процессов, на уменьшение массы клеев и герметиков в изделиях, на повышение надёжности и ресурса герметичных изделий. При изготовлении узлов и составных частей ЛА из полимерных композиционных материалов применяются методы намотки, выкладки, пултрузии из пропитанных связующим однонаправленных или тканых лент из волокон углерода, стекла или кевлара для изготовления типовых узлов — обшивок, оболочек, панелей, рулей, лонжеронов, створок, крышек люков и т. п.
Важная составная часть Т. а. — испытания и контроль качества изделий. Для испытаний ЛА, двигателей и агрегатов применяются автоматизированные процессы измерения и регистрации параметров, как правило, с использованием ЭВМ. Неразрушающий контроль литых деталей, сварных и паяных соединений ведётся методами радиационной дефектоскопии. Качество точечной электросварки непосредственно в процессе её выполнения контролируется УЗ методом. Неразъёмные соединения деталей из композиционных материалов контролируются радиографическим и акустическим методами. Развитие технологии в этой области идёт в направлении повышения точности, объективности и оперативности оценки качества изделий.
Прогресс авиационной техники в значительной степени зависит от достигнутого уровня и перспектив развития Т. а. Дальнейшее совершенствование Т. а. связано с развитием лазерной технологии и таких методов поверхностной обработки, как ионная имплантация, детонационное и др. виды напыления, коренным образом улучшающие эксплуатационные характеристики конструкций. Большое значение при разработке технологических процессов в авиастроении имеет автоматизация инженерного труда, в том числе на основе использования ЭВМ, САПР и АСУТП. Одним из направлений развития Т. а. и авиационного производства является создание и широкое применение гибких автоматизированных производств (ГАП) — организационно-технических систем, позволяющих в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства в короткий срок наладить выпуск новой продукции. Отличительной особенностью ГАП по сравнению с традиционным неавтоматизированным производством является его способность обеспечивать выполнение основных принципов массового поточного производства — непрерывности, ритмичности и пропорциональности в условиях выпуска большой номенклатуры изделий малыми сериями. Для ГАП характерно использование оборудования с ЧПУ и электронных вычислительных и управляющих машин для ведения технологических процессов, а также использование различных средств для автоматизации всех проектно-конструкторских и расчётных работ. Принципиально новыми компонентами ГАП являются также легко (гибко) перестраиваемые многономенклатурные автоматизированные участки технологической подготовки производства и поисково-информационной системы подготовки и реализации сменно-суточных заданий. В производственную часть ГАП входит автоматизированное технологическое оборудование основного производства (станки с ЧПУ, прессы-автоматы, сборочные или контрольные автоматы и т. п.), а также средства загрузки-выгрузки и накопления заготовок, деталей, материалов или полуфабрикатов, автоматизированные устройства комплектации, автоматизированные транспортно-складские системы, объединяющие в единое целое участки основного и вспомогательного производств. Для выполнения транспортных, погрузочных, а в ряде случаев и основных технологических операций используются манипуляторы (промышленные роботы). Участки технологической подготовки производства строятся так же, как и участки основного производства — по принципу многономенклатурных гибко перестраиваемых автоматизированных производств, на которых изготовляются инструмент, приспособления и технологическая оснастка, необходимая для длительного функционирования ГАП. Соответствующее металлорежущее и др. оборудование объединяется в гибкую производственную систему, управляемую ЭВМ. К обязательным функциям ГАП относятся автоматическое диспетчирование, автоматизированное проектирование и расчёт всех управляющих технологическими процессами программ (обработки, сборки и др.). В ГАП автоматизированы расчёт плана загрузки оборудования и учёт фактической его реализации с помощью АСУ; проектно-конструкторские и расчётные работы, осуществляемые программно-вычислительными комплексами. К техническим средствам комплексов относятся мини- и микро-ЭВМ с периферийными устройствами, а также всё программное и математическое обеспечение ГАП. Т. а. как наиболее прогрессивная технология впитывает все новейшие достижения науки и техники, обеспечивая быстрый прогресс авиационной техники. Специфика основных технологических процессов Т. а. рассмотрена ниже.
Литьё. Литые заготовки и детали экономичны с точки зрения обеспечения максимальной точности изготовления, минимального расхода материала и затрат труда. Изделия авиационной техники содержат значительное число литых деталей, длительно работающих при высоких температурах (до 1300 К) и давлениях (до 100 МПа), в коррозионных средах при статических и динамических (в том числе знакопеременных) нагрузках. Основное направление развития литейного производства в Т. а. — совершенствование и внедрение способов литья, позволяющих получать тонкостенные крупногабаритные отливки, отвечающие прочностным и весовым требованиям ЛА, по конфигурации и размерам максимально приближенные к готовым деталям. Выбор способа литья определяется конфигурацией, габаритными размерами и толщиной стенок деталей, характером производства, а также требованиями к механическим свойствам, точности обработки и качеству поверхности деталей. Наибольшее применение в авиастроении нашли способы точного литья: литьё по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением и др.
Литьё по выплавляемым моделям — способ, который позволяет получать детали любой конфигурации практически из всех применяемых в авиастроении сплавов (нержавеющих и жаропрочных сталей, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов) с толщиной стенок 1—2,5 мм и длиной до 0,7 м с точными размерами и высоким качеством поверхности (низкой шероховатостью — Rz 40—2,5 мкм).
Литьё в кокиль (многократно используемую металлическую форму) применяется для отливки деталей главным образом из алюминиевых и магниевых сплавов с толщиной стенок до 4 мм и длиной до 1,5 м, обеспечивая сравнительно точные размеры при хорошем качестве поверхности (Rz 40—20 мкм).
Литьё под давлением является комплексно-механизированным процессом, обеспечивающим изготовление отливок из алюминиевых, магниевых и др. сплавов с толщиной стенок до 1 мм и длиной 0,6 м с обеспечением высокого качества поверхности (Rz 2,5—2 мкм). Детали не нуждаются, как правило, в дальнейшей механической обработке за исключением некоторых сопрягаемых поверхностей. Вакуумирование сплава и подпрессовка позволяют получать отливки из высокопрочных термоупрочняемых алюминиевых сплавов с высокими механическими свойствами (предел прочности 500—450 МПа). Этот способ перспективен также для изготовления цельнолитых силовых деталей ответственного назначения, деталей из титановых сплавов и стали. Литьё осуществляют на машинах с холодной горизонтальной и вертикальной камерами прессования, часто с использованием блок-форм, существенно снижающих стоимость оснастки.
Отливки с толщиной стенок до 4 мм и длиной до 0,8 м из алюминиевых и магниевых сплавов с повышенной плотностью и достаточно низкой шероховатостью (Rz 40—20 мкм), со стабильными качественными и весовыми характеристиками получают литьём под низким давлением, осуществляемым на литейных машинах, обеспечивающих высокую степень механизации.
Отливки с толщиной стенок до 4 мм и длиной до 1 м из алюминиевых и магниевых сплавов получают литьём в формы из смесей холодного твердения. Этот способ обеспечивает хорошее качество поверхности (Rz до 20 мкм) и является перспективным для поточных линий с групповой технологией.
Отливки из титановых сплавов любой сложности с толщиной стенок до 3 мм, длиной до 2 м получают литьём в набивные графитовые формы с центробежной или стационарной заливкой. Способ является универсальным и позволяет при относительно коротком цикле и недорогой (металлической и деревянной) оснастке отливать детали практически любой сложности, но обеспечивает сравнительно небольшую точность и шероховатость Rz до 80 мкм.
Наиболее массовые и характерные для авиационного производства тонкостенные детали (типа панелей, корпусов и т. п.) из всех алюминиевых сплавов разнообразной конфигурации с толщиной до 1 мм и длиной до 3 м получают способом литья выжиманием, который обеспечивает заполнение форм практически без перегрева, что резко уменьшает объёмную усадку и, следовательно, гарантирует высокую плотность отливок и точность размеров при достаточно хорошем качестве поверхности (Rz 40—20 мкм).
Штамповка — формообразование деталей с помощью специализированного инструмента (штампа).
Штамповкой получают из профильного и листового материала (листовая штамповка) плоские и пространственные детали, у которых толщина значительно меньше других размеров. В Т. а. применяют специальные методы листовой штамповки: обтяжку и гибку с растяжением для формообразования элементов обшивки двойной кривизны и длинномерных деталей планёра ЛА из профильных материалов. Штамповка производится на прессах, конструкция которых позволяет использовать упрощённые штампы, содержащие пуансон или матрицу.
Для изготовления деталей каркаса самолёта из листового материала широко применяется групповая штамповка эластичными средами. Формообразование осуществляется с помощью форм-блока, являющегося пуансоном или матрицей. Роль второй части штампа выполняет эластичный материал, находящийся в контейнере, который входит в конструкцию пресса.
Крупногабаритные детали несложной формы (обшивки одинарной кривизны, кольцевые детали) получают способом штамповки, которая называется гибкой-выкаткой. Эта операция производится на специализированных станках в гибочных валках. Формообразование листовых деталей из высокопрочных труднодеформируемых материалов производят способом горячей листовой штамповки, в том числе формообразование в режиме сверхпластичности, ползучести, а также совместно с термообработкой (для термически упрочняемых сплавов и сталей). Листовая штамповка осуществляется на специализированном прессовом оборудовании — растяжно-обтяжных и обтяжных прессах, прессах для штамповки эластичными средами.
Объёмной штамповкой, в результате которой существенно изменяется форма исходной заготовки, получают детали сложной пространственной формы с переменным по длине сечением. Применяют обычные методы объёмной штамповки на универсальном оборудовании (штамповочных молотах и кривошипных горяче-штамповочных прессах), а также способы изотермической (в том числе в режиме сверхпластичности) и высокоскоростной малоотходной и безотходной штамповки на винтовых и многоплунжерных прессах в разъёмных матрицах. С целью повышения точности заготовок и снижения расхода металла проводят предварительное фасонирование: горячую вальцовку, прокатку, высадку, выдавливание и др.
В качестве специализированного оборудования применяются гидравлические прессы для изотермической штамповки, многоплунжерные молоты, электровысадочные машины, вальцы, прокатные станы. Высокоточные детали сложной пространственной формы, например лопатки ГТД, получают холодной вальцовкой на специализированных установках. Нагрев исходного материала под штамповку осуществляется в электрических печах, имеющих небольшой перепад температуры по поду печи. Нагрев стальных заготовок ведётся в газовых печах малоокислительного нагрева.
Электрохимическая обработка — способ, которым можно обрабатывать практически любые токопроводящие материалы, независимо от их физико-механических характеристик. В основе способа лежит процесс анодного растворения металла при высокой плотности тока в проточном электролите с последующим удалением образующихся продуктов реакции из зоны обработки. В качестве электролитов используются водные растворы нейтральных солей. Для обеспечения высокой плотности тока применяются источники постоянного тока с напряжением до 24 В. Электрод-инструмент в процессе обработки не изнашивается. Наиболее эффективно применение этого способа для изготовления деталей из высокопрочных жаропрочных титановых сплавов и сталей, обработка которых резанием затруднена. Хорошо обрабатываются нержавеющие, легированные стали и цветные сплавы. В результате электрохимической обработки в поверхностном слое не происходит структурных изменений, его микротвёрдость такая же, как и основного металла. Остаточные напряжения отсутствуют, не образуется микротрещин и наклёпа. Однако растравливание поверхности на 5—15% снижает усталостную прочность. В Т. а. применяют следующие способы электрохимической обработки: объёмное копирование, прошивку отверстий, электрохимическое шлифование и безразмерную обработку.
Объёмное копирование применяется для обработки лопаток газовых турбин и компрессоров, фасонных поверхностей дисков, полостей корпусных деталей ГТД, полостей (гравюр) штампов и пресс-форм, различных пазов в деталях и т. п.
Способом прошивки изготовляют охлаждающие каналы в лопатках, межлопаточные каналы в монороторах, отверстия различной формы. Максимальная скорость съёма металла при объёмном копировании 0,5—2 мм/мин, при прошивке 2,5—8 мм/мин. Шероховатость поверхности деталей из жаропрочных и титановых сплавов при копировании Rа 2,5—0,83 мкм, при прошивке Rа 20—10 мкм. Глубина растравливания поверхностного слоя зависит от режимов обработки, химического состава обрабатываемого материала; обычно для жаропрочных сплавов 3—20 мкм. Погрешность обработки при объёмном копировании 0,15—0,5 мм, при прошивке отверстий 0,05—0,2 мм.
С 70-х гг. получили распространение импульсно-циклические процессы электрохимической обработки с использованием специальных импульсных источников питания и дискретно-циклических схем перемещения электрода-инструмента. Эти процессы позволяют в 2—5 раз повысить точность обработки, однако скорость съёма металла уменьшается в 1,5—3 раза, поэтому такая обработка целесообразна на финишных операциях обработки со снятием небольшого припуска.
Электрохимическое шлифование применяют для обработки профиля пера лопаток газовых турбин, лабиринтных уплотнений и базовых поверхностей лопаток, сотовых уплотнений корпусных деталей двигателей. Этим методом осуществляют также профильное шлифование и заточку инструмента из твёрдых сплавов. Обработка по физической сущности не отличается от копирования и прошивки; осуществляется вращающимся электродом-инструментом, на который подаётся электролит, движущийся вслед за кругом (вдоль зазора), удаляющий продукты обработки. Процесс интенсифицируется совмещением электрохимического растворения металла с абразивным резанием, для чего применяются абразивные или алмазные круги на токопроводящей связке. Обработка ведётся при напряжении постоянного или переменного тока 4—20 В, сила тока в зависимости от площади обработки 100—400 А. Скорость подачи электрода при глубинном электрохимическом шлифовании 8—15 мм/мин, при совмещении с обработкой абразивным инструментом 20—30 мм/мин. При этом обеспечивается шероховатость поверхности Rа 0,63—2,5 мкм, погрешность формообразования (±) 0,05 мм, отсутствуют заусенцы, прижоги.
Для полирования лопаток газовых турбин, удаления заусенцев, скругления в деталях турбин и т. п применяют безразмерную электрохимическую обработку, при которой электрод-инструмент остаётся неподвижным. Производительность процесса 0,3—0,5 мм/мин.
Электрофизическая обработка — общее название способов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электронным пучком, световым лучом и др., а также комбинирование электромеханических способов, например электроабразивной обработки. В Т. а. применяется электроэрозионная, электронно-лучевая и лазерная обработки.
Электроэрозионная обработка, к которой относится, в частности, электроискровой способ, предложенный в 1943 Н. И. и Б. Р. Лазаренко, основан на использовании искрового разряда между электродом-инструментом (катодом) и обрабатываемой заготовкой (анодом), помещёнными в жидкий диэлектрик. При сближении электродов происходит пробой диэлектрика, в результате чего возникает электрический разряд, в канале которого образуется высокотемпературная плазма (до 10000°С). Длительность электрических импульсов 1—50 мкс, поэтому тепло не успевает распространиться в глубь материала. Способ позволяет получить поверхность высокого качества (шероховатость на чистовых режимах Rz 20 мкм, на особо тонких Rа 1,25—0,63 мкм), но отличается большим износом инструмента (до 125% от объёма снятого материала при обработке стальных заготовок) и низкой производительностью. Этим способом обычно обрабатывают поверхности небольших деталей, образуют отверстия диаметром до 2 мм в листах, тонкие щели, полости небольших штампов, а также вырезают листовые заготовки. Производительность процесса может быть повышена в 5—10 раз при использовании многоконтурных схем и импульсных генераторов.
Разновидностью электроэрозионной обработки является электроимпульсный способ, предложенный в 1948 М. М. Писаревским. Способ основан на использовании импульсов дугового разряда, который в отличие от искрового разряда даёт температуру плазмы в канале 4000—5000(º)С, что позволяет увеличить длительность импульсов, уменьшить промежутки между ними. В зону обработки вводятся большие мощности (до нескольких десятков кВт), и таким образом увеличивается производительность (до 25000 мм3/мин). Длительность импульсов 0,05—10 мс, мощность разряда до 60 кВт. Этим способом обычно осуществляют черновую обработку поверхностей (пазов, щелей, отверстий, полостей штампов), калибруют профили лопаток газовых турбин и т. п. Шероховатость поверхности на грубых режимах Rz 80—40 мкм, на тонких Rа 2,5—0,3 мкм. Достоинством способа является малый износ электрода (0,5—2% от снимаемого объёма материала для углеграфитового электрода при обработке стальной заготовки, до 20% — для медно-графитового электрода).
Электронно-лучевая обработка осуществляется на специальных установках в рабочих камерах, в которых поддерживается вакуум, соответствующий давлению 2—10 Па. Основной элемент установки — электронная пушка, вырабатывающая пучок электронов высоких энергий (до 100 кэВ), сконцентрированный на весьма малой площади, что позволяет создавать в зоне обработки огромную плотность потока энергии. Установка оснащена системой программного управления электронным пучком, а также имеет систему ЧПУ или ЭВМ для управления координатными перемещениями обрабатываемой детали и электронной пушки. Способ применяется для резания заготовок практически из любых материалов, прошивки отверстий диаметром 0,05—1 мм (в лопатках турбин, панелях, камерах сгорания, теплозащитных экранах и т. п.). Обработка деталей из жаропрочных сплавов в оптимальных режимах характеризуется высокой точностью получаемых размеров, малой шероховатостью поверхности (Ra 2,5—0,4 мкм); зона структурных изменений материала находится на глубине 0,01—0,1 мм.
Лазерная обработка производится на установках с твердотельными и газовыми лазерами непрерывного и импульсного действия. Лазерное излучение характеризуется высокой степенью монохроматичности и когерентности. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки используются оптические системы, которые обеспечивают высокую плотность потока излучения (до 107 кВт/м2), необходимую для создания термического эффекта за короткое время (длительность импульса 0,1—1 мс). Лазерная обработка применяется для образования малых отверстий диаметром 0,1—1 мм в деталях небольшой толщины (до 10 мм) и для разрезки заготовок из любых материалов. Характеризуется высокой точностью обработки отверстий, шероховатостью поверхности Rа 2,5—0,16 мкм при небольшой глубине структурного изменения поверхностного слоя (1—100 мкм). Эффективность обработки повышается при совмещении воздействия лазерного луча с искровым разрядом, а также в случае применения сжатого воздуха для продувки при калибровке отверстий (например, в деталях топливной аппаратуры, лопатках газовых турбин, экранах камер сгорания). Для разрезания листов толщиной до 1,5 мм применяют твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате, толщиной до 10 мм — более мощные газовые (углекислый газ) лазеры. Процессы резки и удаления продуктов разрушения интенсифицируют совместным воздействием луча лазера и струи газа (обычно кислорода). Режим обработки: мощность 300—1000 Вт, плотность потока излучения в зоне обработки 106—107 кВт/м2, ширина реза 0,2—1 мм, скорость резки 0,5—10 м/мин. Способ применяется для прямолинейной и контурной обрезки лопаток газовых турбин, вырезки шаблонов, сеток нагревательных элементов, для разметки заготовок и маркировки деталей. Обработка осуществляется на лазерных установках, оснащённых ЧПУ для координатного перемещения стола.
Размерное химическое травление, или химфрезерование, получило распространение в авиационной промышленности с 1953—54. Способ разработан на основе технологии цинкографии и химического гравирования, основан на химическом взаимодействии материала заготовки с определёнными химическими растворами, в результате чего происходит удаление части материала в виде летучих или растворимых веществ. Достоинством способа является возможность уже на стадии проектирования предусмотреть объединение тонкостенных деталей в монолитные узлы (например, сопряжение обшивки с окантовкой, накладками, усиливающими лентами) и тем самым уменьшить многодетальность конструкции ЛА, а также обеспечить равнопрочность, снижение массы.
Применяют эквидистантное травление, в том числе контурное и общее, и неэквидистантное, в том числе доводочное и направленное (калибровочное), с использованием различных агрессивных сред.
При контурном травлении на очищенную и обезжиренную заготовку наносится специальное лакокрасочное покрытие (определённого состава в зависимости от применяемого раствора для травления); по шаблону прочерчивается контур детали, удаляется покрытие с мест травления, деталь подвергается травлению, осветлению и промывке, после чего очищается от покрытия. Контурное травление может быть одно-, многоступенчатым и простым.
Общее травление имеет целью доведение размеров заготовки до заданных и улучшение качества поверхности.
При доводочном травлении производится местное или общее удаление тонких слоев материала, в результате чего уменьшается масса детали, улучшается качество поверхности (снижается шероховатость), повышается точность обработки. При этом возможно также исправление недостатков предшествующих операций.
Направленное травление осуществляется воздействием травителя на отдельные участки детали в течение определённого времени (например, деталь постепенно погружают в раствор и вынимают из него).
При химическом травлении используют различные растворы: для алюминиевых сплавов раствор на основе щёлочи с добавлением серы и серосодержащих и др. соединений; для титановых сплавов — плавиковую кислоту, другие минеральные кислоты, сульфокислоты; для магниевых сплавов — серную кислоту, другие кислоты, глицерин, ингибиторы; для стальные деталей — смесь минеральных кислот. Химическое травление оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость материалов, уменьшает концентрацию напряжений вокруг неровностей поверхности листовых деталей. Способ обработки является энергосберегающим процессом, так как требует в 3—5 раз меньше затрат энергии, чем при обработке резанием.
Термическая обработка металлов — технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. В Т. а. используются такие виды термической обработки, как закалка, отпуск, старение и др.
Закалка осуществляется для повышения прочности материала в результате образования неравновесной структуры. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Чем меньше критическая скорость охлаждения, тем глубже прокаливается материал детали. Критическая скорость охлаждения стали уменьшается с повышением содержания углерода и легирующих примесей.
Отпуск осуществляется для уменьшения хрупкости, снижения внутренних напряжений, повышения характеристик пластичности.
Старение используют для повышения прочности главным образом алюминиевых и медных сплавов, жаропрочности никелевых сплавов.
Обработка на бейнит проводится для одновременного повышения прочностных и пластических характеристик стали.
Термомеханическую обработку (сочетание термической обработки с пластическим деформированием) применяют для получения более высокой прочности, чем при закалке с отпуском.
Химико-термическую обработку (сочетание термической обработки с изменением химического состава металла путем воздействия на него определённых сред) осуществляют для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоёв деталей. С этой целью проводят насыщение поверхностного слоя низкоуглеродистых сталей углеродом (цементация), азотом (азотирование), азотом и углеродом (цианирование).
Нагревание деталей при термической обработке осуществляют в электронагревательных печах, в печах-ваннах с расплавами солей, на индукционных установках с использованием токов промышленной (400 Гц), повышенной (2500—10000 Гц) и высокой (более 50000 Гц) частоты. Скорость нагревания деталей влияет на кинетику фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, на свойства материала. Скорость нагревания в расплавах в 3—5 раз выше, чем в газовой среде; при индукционном нагреве она достигает сотен (º)С в 1 с. Для предотвращения изменения поверхностного слоя материала нагревание деталей осуществляют в инертных газах (аргон), вакууме, в защитных средах на основе азота, аммиака, природного газа и т. д. Химико-термическую обработку выполняют в твёрдом, жидком (например, в расплаве цианистых солей), газообразном или плазменном реагенте. Охлаждение деталей производят или вместе с печью (при отжиге), или на воздухе (при нормализации), а также в жидкостях — воде, масле, синтетических охладителях (при закалке), в расплавах солей — селитре, щелочах (при изотермической и ступенчатой закалке).
Упрочняющая поверхностная обработка — технологический процесс, применяемый главным образом для повышения сопротивления деталей усталостному разрушению, износу, коррозии; осуществляется путём обработки поверхности давлением, в результате чего пластически деформируется только поверхностный слой материала. Такая обработка, называется поверхностным пластическим деформированием (ППД), позволяет повысить назначенный ресурс детали в 2—10 раз. Упрочнению подвергаются детали из металлических материалов, способных деформироваться в холодном состоянии при статическом взаимодействии с инструментом, рабочим телом или средой (статическая ППД) и при ударном взаимодействии (ударная ППД). К статической ППД относится накатывание, к ударному — обработка дробью. Наряду с повышением прочности поверхности деталей такая обработка обеспечивает низкую шероховатость поверхности (не выше Rz 0,32—2,5 мкм), сохранение размеров и взаимного пространственного расположения поверхностей деталей. Качество обработки обеспечивается управлением режимами обработки по заданной программе, применением инструмента из натуральных и синтетических алмазов (главным образом карбонадо), использованием для рабочих тел и сред дроби диаметром 0,03—6 мм из легированных сталей и стекла.
Упрочняющая обработка деталей газовых турбин из жаропрочных сплавов и сталей, работающих при температурах 350—750(°)С, назначается и проводится с учётом релаксационных процессов в материале. Это обеспечивает длительное сохранение высокой усталостной прочности деталей. ППД подвергается более 3000 наименований деталей ГТД и ЛА, работающих при температурах от — 120 до 750(°)С, длиной от нескольких мм до 30 м (панели, лонжероны, детали механизации крыла, балки, шпангоуты, части фюзеляжа, штоки, цилиндры амортизаторов, подкосы, оси шасси самолётов; лопасти, валы, стаканы воздушных винтов, лонжероны лопастей и др. детали несущей системы вертолётов; галтели и стержни болтов; перо и замок турбинных лопаток, диски роторов, сварные швы корпусов ГТД, валы, зубчатые колёса, лопатки направляющих аппаратов и др.).
Упрочняющая обработка проводится на универсальном и специализированном оборудовании, оснащённом средствами механизации, автоматизации и программного управления, а также в стапеле при сборке ЛА после подгонки сопрягаемых поверхностей и совместной разделки отверстий (диаметром 6—40 мм) в узлах, в том числе в пакетах при различном сочетании материалов (алюминий и сталь, алюминий и титан, алюминий и алюминий).
Клёпка — соединение элементов конструкции заклёпками, в результате чего образуется неразъёмное заклёпочное соединение. Клёпка включает операции образования и зенкования отверстий в соединяемых элементах, вставки заклёпок и их осаживания с целью получения замыкающих головок требуемой формы. Различают клёпку с двусторонним подходом (доступ к закладной и замыкающей головкам заклёпки открыт с двух сторон) и с односторонним подходом (доступ к замыкающей головке закрыт). Клёпка осуществляется ударом (клепальными молотками), прессованием (на клепальных прессах или автоматах), раскатыванием, протягиванием и обжатием (на специальном оборудовании). При клёпке ударом прямым методом удары молотка наносятся по стержню заклёпки, при клёпке обратным методом — по закладной головке. Клёпка прессованием выполняется одиночным методом, когда за один ход штампа расклёпывается одна заклёпка, и групповым, при котором расклёпываются несколько заклёпок. По степени механизации технологических операций различают клёпку ручную (инструментом вручную), механизированную (с помощью ручных механизированных инструментов), машинную (машиной, управляемой оператором), автоматическую (весь комплекс операций, включая иногда и герметизацию, производится автоматом, а оператор контролирует процесс). В зависимости от требований к конструкции ЛА используют потайные заклёпки для соединения деталей, обтекаемых воздушным потоком; непотайные — для элементов каркаса и мест конструкции, в которых они допустимы по условиям эксплуатации; высокоресурсные герметичные, которые образуют потайные и непотайные соединения повышенной плотности и увеличенной выносливости, а также заклёпки для швов с односторонним подходом в зону клёпки. Дальнейшее совершенствование заклёпочных соединений связано с применением новых видов заклёпок и новых средств механизации и автоматизации операций, гарантирующих стабильность качества и высокий ресурс соединений.
Сварка — группа технологических процессов соединения, разъединения и в ряде случаев обработки материалов с использованием местного нагревания: собственно сварка, наплавка, сращивание, термическая резка и т. п. Процесс сварки осуществляется в три стадии: сближение соединяемых деталей на расстояния, необходимые для их физического контакта; образование прочного соединения на микроучастке (химическое взаимодействие); завершение процесса образования соединения в макрообъёме (диффузионные процессы). Для прочного соединения свариваемых деталей необходима активация стыкуемых поверхностей, которая осуществляется с помощью тепловой энергии (термическая активация), упруго-пластических деформаций (механическая), электронного, ионного и фотонного облучения (радиационная). Сварка может производиться без давления — сварка плавлением (газовая, термическая, дуговая, плазменная сжатой дугой, электрошлаковая, индукционная, электронно-лучевая, лазерная); с применением давления — механическая сварка (холодная, трением, УЗ, взрывом) и термомеханическая (контактная, газопрессовая, индукционная, дугопрессовая, печная, термитная, диффузионная). Насчитывается свыше 60 методов сварки. В Т. а. применяются чаще всего контактная и дуговая сварки (ручная, механизированная и автоматическая). При дуговой сварке для защиты сварочной ванны и зоны сварки от взаимодействия с воздухом применяют электродные обмазки или флюсы (защита слоем жидкого шлака); во многих случаях сварку ведут в вакууме или в атмосфере защитных газов (аргон, гелий, водород, углекислый газ, азот) либо их смесей. В производстве ЛА наиболее часто применяют сварку, обеспечивающую высокоэффективную защиту сварочной ванны (дуговую сварку в среде инертных газов или в вакууме плавящимся и неплавящимся электродами), а также сварку с применением высококонцентрированных источников тепла, обеспечивающую наименьшую зону термического влияния и минимальные остаточные деформации (электронно-лучевую, плазменную и лазерную).
Склеивание применяют в Т. а. при изготовлении панелей со стрингерным набором, слоистых обшивок, сотовых конструкций, при выполнении комбинированных соединений (клеезаклёпочных, клееболтовых, клеесварных и др.). Технологический процесс склеивания включает операции предварительной «сухой» сборки, подготовки поверхностей, нанесения клея, окончательной сборки, отверждения клеевых прослоек в соединениях и контроль. Предварительную сборку выполняют для обеспечения требуемых зазоров между склеиваемыми поверхностями (обычно 0,1 мм) в сборочно-склеечном приспособлении. Обшивки и детали каркаса, например из алюминиевых сплавов, перед склеиванием анодируют в серной или хромовой кислотах или после обезжиривания подвергают травлению в жидком трихлорэтилене, в растворе концентрированной серной кислоты, двухромовокислого натрия и воды (пиклинг-процесс). Для защиты подготовленных поверхностей применяют адгезионные грунты, которые способствуют также повышению стабильности, прочности, водо- и тропикостойкости. В состав грунтов вводят ингибиторы коррозионных процессов. Используют жидкие, плёночные, пастообразные, порошкообразные клеи. Жидкие клеи наносят кистью, окунанием, роликом, вальцами, распылением (воздушным, безвоздушным или в электростатическом поле). Плёночные клеи, особенно на эпоксидной основе, применяют, как правило, без подслоя жидкого клея. Плёнку прикатывают на подготовленную поверхность детали роликом, механизированными устройствами и др. способами. Пастообразные клеи наносят шпателем, роликом или механизированными устройствами. При использовании порошкообразных клеев соединение деталей осуществляют в электростатическом поле. Нанесённому на поверхность детали жидкому подслою дают открытую выдержку при нормальных или повышенных температурах для удаления растворителя, наличие которого вызывает пористость шва и снижает его прочность. Окончательную сборку узла ведут по тем же базам сборочно-склеечного приспособления, в котором производились предварительная сборка и подгонка. Соединение клеями горячего отверждения производят в автоклавах, на прессах, в электрических камерных печах с созданием давления пневматическими или механическими устройствами, вакуумированием. Холодное отверждение проводят на вакуумных столах, в приспособлениях и стапелях, обеспечивая прижатие деталей заклёпками, пневматическими или механическими устройствами, вакуумированием; при склеивании на верстаках пользуются для зажима деталей винтовыми или пневматическими струбцинами и др. приспособлениями. Клеевые швы для защиты от воздействия влаги покрывают грунтами или герметиками.

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994.