Процессы механической и физико-химической обработки в производстве авиационных двигателей

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2007

Допущено Министерством образования и науки РФ
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению бакалавров и магистров
Авиаи ракетостроение
направлению подготовки
дипломированных специалистов
и

«
»,

специальности Авиационные двигатели и энергетические установки
«
»
«
»
Двигатели летательных аппаратов

Процессы механической
и физико-химической
обработки в производстве
авиационных двигателей

УДК 621.4(075.8)  
ББК 39.55 
 П845 
 
 
Авторы: 
А.Г. Бойцов, А.П. Ковалев, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, Л.А. Хворостухин 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
кафедра «Технология производства ДЛА и энергетических установок» МАИ 
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.В. Воробей); 
д-р техн. наук, проф. Б.П. Саушкин 
 
 
 
Процессы механической и физико-химической обработки в производстве авиационных двигателей: Учеб. пособие / А.Г. Бойцов, 
А.П. Ковалев, А.С. Новиков и др.  — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2007. — 584 с.: ил.  
 
ISBN 978-5-7038-3044-4 
 
Рассмотрены основные технологии, без использования которых невозможно 
производство авиационной техники новых поколений, методы и технологические 
процессы размерной обработки деталей, упрочнения и нанесения специальных 
покрытий. Отражены результаты работ и исследований по совершенствованию 
технологий производства газотурбинных двигателей, выполненных на ведущих 
предприятиях авиадвигателестроения, в научно-исследовательских и учебных институтах.  
Для студентов и аспирантов вузов. Может быть полезно для работников промышленности, занимающихся вопросами технологии производства авиационных 
двигателей. 
 
 
УДК 621.4(075.8)  
ББК 39.55               
 
 
 
 
 
 
 
 
© Коллектив авторов, 2007 
 
ISBN 978-5-7038-3044-4 
© Оформление. Издательство  
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

 
  

П845

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................  6 

1. ОСОБЕННОСТИ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ  АВИАЦИОННЫХ 
ДВИГАТЕЛЕЙ И ТЕХНОЛОГИИ  ИХ ПРОИЗВОДСТВА ..................................  7 
1.1. Конструктивно-технологические особенности  и тенденции развития 
ГТД .......................................................................................................................  7 
1.2. Современное состояние технологии производства ГТД  и  перспективы  
развития ..............................................................................................................  20 
1.3. Материалы, используемые для изготовления деталей и узлов ГТД .............  25 
1.3.1.  Требования к узлам и деталям ГТД и применяемые  для их 
изготовления материалы .......................................................................  25 
1.3.2.  Механические свойства материалов ....................................................  30 
1.3.3.  Свойства и особенности основных групп используемых  и 
перспективных материалов ...................................................................  37 

2. ТОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ ........................................................  53 
2.1. Точность и погрешности обработки ................................................................  53 
2.2. Состояние поверхностного слоя и его влияние  на эксплуатационные 
свойства деталей и узлов ..................................................................................  66 
2.2.1.  Строение поверхностного слоя .............................................................  66 
2.2.2.  Неровности поверхности .......................................................................  67 
2.2.3.  Физико-химическое состояние поверхностного слоя  и его 
параметры ...............................................................................................  71 
2.2.4.  Влияние методов и режимов механической обработки  на 
параметры состояния поверхностного слоя ........................................  82 
2.2.5.  Влияние состояния поверхностного слоя  на эксплуатационные 
свойства деталей и узлов .......................................................................  87 
2.3. Технологическое наследование как метод управления технологическими 
процессами по параметрам качества .............................................................  101 
2.3.1.  Закономерности и количественные связи  технологического 
наследования ........................................................................................  101 
2.3.2.  Моделирование технологического наследования .............................  110 

3. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В ПРОИЗВОДСТВЕ АВИАЦИОННЫХ 
ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ АГРЕГАТОВ ....................................................................  118 
3.1. Обрабатываемость материалов резанием ......................................................  118 
3.2. Технология обработки на станках токарной группы ...................................  126 

Оглавление  
——————————————————————————————————— 
4

3.3. Технология обработки на фрезерных станках ..............................................  140 
3.4. Технология обработки на сверлильных и расточных станках ....................  163 
3.4.1.  Обработка отверстий сверлением, зенкерованием и 
развертыванием ....................................................................................  164 
3.4.2.  Сверление глубоких отверстий ...........................................................  179 
3.4.3.  Обработка отверстий растачиванием .................................................  190 
3.5. Обработка протягиванием ..............................................................................  197 
3.6. Технология обработки на шлифовальных и отделочных станках ..............  206 
3.6.1.  Шлифование .........................................................................................  206 
3.6.2.  Технология доводки притиркой и полированием .............................  246 
3.6.3.  Хонингование и суперфиниш .............................................................  256 
3.6.4.  Методы обработки незакрепленным абразивом ...............................  262 
3.7. Технология обработки резьб ..........................................................................  279 
3.7.1.  Нарезание резьб лезвийным инструментом ......................................  280 
3.7.2.  Шлифование резьб ...............................................................................  301 
3.7.3.  Накатывание резьб ...............................................................................  304 
3.8. Обработка зубчатых колес .............................................................................  311 
3.8.1.  Зубчатые передачи и методы обработки зубчатых колес ................  311 
3.8.2. Нарезание зубчатых колес методами копирования ..........................  313 
3.8.3.  Нарезание зубчатых колес методами  обкатывания .........................  316 
3.8.4.  Накатывание зубьев .............................................................................  326 
3.8.5.  Закругление торцовых поверхностей зубьев,  снятие фасок и  
заусенцев ...............................................................................................  326 
3.8.6.  Шлифование зубчатых колес ..............................................................  327 
3.8.7.  Отделочная обработка зубчатых колес ..............................................  336 

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ  ОБРАБОТКИ В 
ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ГТД ......................................................................  341 
4.1. Электроэрозионная обработка .......................................................................  344 
4.1.1.  Электроэрозионная проволочная резка .............................................  356 
4.1.2.  Электроэрозионное объемное копирование  и прошивка 
профилированными электродами .......................................................  365 
4.1.3.  Электроэрозионное фрезерование ......................................................  373 
4.1.4.  Электроэрозионная прошивка отверстий малого диаметра .............  381 
4.2. Электрохимическая обработка .......................................................................  383 
4.3. Ультразвуковая обработка ..............................................................................  404 
4.4. Обработка излучением лазера .......................................................................  414 
4.4.1.  Лазерная резка ......................................................................................  420 
4.4.2.  Лазерное сверление отверстий ...........................................................  433 
4.4.3.  Лазерная обработка фасонных поверхностей ...................................  439 
4.4.4.  Лазерная маркировка ...........................................................................  441 
4.5. Электронно-лучевая обработка материалов .................................................  444 
4.6. Струйно-абразивная резка ..............................................................................  450 

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ 
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ...........................  462 
5.1. Методы поверхностного упрочнения ............................................................  462 

Оглавление 
——————————————————————————————————— 5

5.2. Упрочнение без изменения химического состава  поверхностного слоя ...  464 
5.3. Поверхностное легирование ...........................................................................  475 
5.4. Нанесение покрытий .......................................................................................  497 
5.4.1. Покрытия для деталей ГТД ..................................................................  497 
5.4.2. Современные способы и технологии нанесения покрытий ...............  507 
5.5. Физико-химическое модифицирование поверхности ..................................  532 
5.6. Комбинированные способы упрочнения и решаемые технологические 
задачи ................................................................................................................  535 

6. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ  В ПРОЦЕССАХ 
ИЗГОТОВЛЕНИЯ  И КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ...................................................  536 
6.1. Технологии быстрого прототипирования .....................................................  536 
6.2. Новые технологии измерений ........................................................................  554 
6.3. Направления развития процессов механической  и физико-химической  
обработки .........................................................................................................  573 

Список литературы ................................................................................................  581 
 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

При разработке и производстве современных авиационных двигателей возникает множество проблем, связанных с необходимостью обеспечения высоких требований по надежности, минимальной массе, экономичности и ресурсу. В совокупности с совершенствованием конструкции, улучшением аэродинамических и термодинамических характеристик двигателей эти проблемы решают, используя новые 
эффективные материалы — интерметаллидные сплавы, высокопрочные композиты 
и керамокомпозиты, суперсплавы и технологические процессы механической и физико-химической обработки деталей и узлов. Такие важнейшие эксплуатационные 
характеристики деталей и узлов двигателя, как износостойкость, статическая и динамическая прочность, обусловливающие точность и качество поверхностей, зависят от применяемых методов и условий обработки.  
 В настоящем пособии на базе современных достижений науки, техники и 
технологии рассмотрены тенденции развития и совершенствования процессов 
механической и физико-химической обработки деталей авиационных газотурбинных двигателей. Показано влияние условий и режимов обработки на параметры точности и качества поверхностного слоя. Рассмотрены базовые схемы, 
технологические возможности, технические показатели и особенности применения в производстве авиационных двигателей различных методов механической 
и физико-химической размерной обработки, поверхностного упрочнения и нанесения специальных покрытий.  
Пособие содержит результаты опубликованных работ по совершенствованию технологии производства газотурбинных двигателей (ГТД), выполненных 
научно-исследовательскими организациями, предприятиями отечественного 
авиадвигателестроения и вузами с учетом требований, предъявляемых к технологической подготовке специалистов по производству газотурбинных авиационных двигателей и энергетических установок. Показаны достижения зарубежных фирм. 
Список источников, из которых авторы заимствовали те или иные сведения 
и иллюстративный материал, приведен в конце пособия. 
Авторы благодарны рецензентам доктору технических наук, профессору Саушкину Б.П., доктору технических наук, профессору Воробей В.В., сотрудникам 
кафедры «Технология производства ДЛА и энергетических установок» Московского авиационного института (государственный технический университет — МАИ) за 
ценные замечания, способствовавшие улучшению содержания пособия.  

1. ОСОБЕННОСТИ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ  
АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ТЕХНОЛОГИИ  
ИХ ПРОИЗВОДСТВА 

1.1. Конструктивно-технологические особенности  
и тенденции развития ГТД  

Производство авиационных газотурбинных двигателей является одной из 
наиболее сложных и наукоемких отраслей машиностроения. Одним из атрибутов великой державы считается способность создавать и производить авиационные газотурбинные двигатели. Помимо России только США, Англия и Франция 
владеют полным циклом создания и выпуска авиационных ГТД. 
Авиационное двигателестроение, базирующееся на наиболее передовых 
технологиях, стимулирует развитие многих других отраслей промышленности, 
где необходимы компактные, мобильные и хорошо управляемые энергетические 
установки, — наземного и водного транспорта, электроэнергетики, газовой, 
нефтяной индустрии и др.  
Конструкция двигателя должна быть модульной, ремонтопригодной, с минимально возможным числом деталей, реализуемой на основе прогрессивных 
технологических процессов. 
Базовая схема авиационного газотурбинного, в нашем случае турбореактивного, двигателя (рис. 1.1) относительно проста. Она включает пять основных 
элементов: 
• входное устройство, обеспечивающее подачу воздуха в двигатель. Позволяет уменьшить скорость набегающего потока до приемлемой. При запуске двигателя и взлете самолета в воздухозаборнике происходит плавное ускорение потока, а на крейсерском режиме — торможение до требуемого значения скорости. 
Во время полета со сверхзвуковыми скоростями воздухозаборник должен перестроить набегающий сверхзвуковой воздушный поток в дозвуковой, что происходит в системе скачков уплотнения, образующихся на носовом конусе или 

Рис. 1.1. Базовая схема ТРД:  

1 — входное устройство; 2 — компрессор; 3 — 
камера сгорания; 4 — турбина; 5 — выходное 
сопло 

1. Особенности и тенденции развития авиационных двигателей 
——————————————————————————————————— 

 

8

клине, а затем в расширяющемся диффузоре — дальнейшее торможение потока 
до значения скорости на входе в компрессор; 
• компрессор, который увеличивает давление и температуру всасываемого 
воздуха. Наиболее широко применяют осевые многоступенчатые компрессоры, 
состоящие из перемежающихся рядов вращающихся (рабочих) и неподвижных 
лопаток. Ряд неподвижных лопаток называют спрямляющим аппаратом, в совокупности с рядом рабочих лопаток он образует ступень компрессора. Ступени 
компрессора согласуют между собой таким образом, чтобы воздух на выходе из 
одной ступени плавно обтекал лопатки следующей ступени. Каждая ступень последовательно увеличивает давление воздуха, в результате чего в многоступенчатом компрессоре достигается высокая степень его повышения; 
• одну или несколько камер сгорания, в которых сгорает топливо, распыляемое в потоке сжатого компрессором воздуха. Давление газового потока в камере сгорания практически не изменяется, но резко растет температура, что 
приводит к увеличению объема и скорости истечения; 
• турбину, которая превращает некоторую часть энергии газового потока в работу по вращению. Эта работа используется для привода компрессора. Газовые 
турбины могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми (до шести ступеней). 
К основным узлам турбины относятся сопловые (направляющие) аппараты и рабочие колеса, состоящие из дисков с расположенными на их ободах рабочими лопатками. Последние крепятся к диску при помощи елочных замков. Рабочие колеса 
крепятся к валу турбины и образуют вместе с ним ротор. Сопловые аппараты располагают перед рабочими лопатками каждого диска. Совокупность неподвижного 
соплового аппарата и диска с рабочими лопатками называют ступенью турбины; 
• сопло, которое ускоряет газовый поток, обеспечивая его высокую скорость на выходе из двигателя. Реактивные сопла могут быть с регулируемым и 
нерегулируемым выходным сечением. 
Разность количеств движения масс вытекающих из турбореактивного двигателя (ТРД) газов и входящего воздуха определяет силу тяги двигателя. 
В гражданской авиации широкое применение получили турбореактивные 
двухконтурные двигатели (ТРДД). ТРДД имеет два контура: внутренний (первый) и наружный (второй). В таких двигателях избыточная мощность турбины 
передается вентилятору (компрессору) второго контура. Во втором контуре сжатый воздух расширяется в выходном сопле и развивает дополнительную тягу. 
Существуют ТРДД, в которых воздух из второго контура и газовая смесь из первого поступают в камеру смешения, а затем в общее сопло. Такие двигатели называют ТРДД со смешением потоков. В ТРДД средняя скорость истечения газовой смеси из выходных сопел контуров при прочих равных условиях примерно в 
1,5 раза меньше, чем у ТРД. Вследствие этого экономичность ТРДД на земле, по 
сравнению с ТРД, выше на 40…50 %, а уровень шума ниже. 
Экономичность двухконтурных двигателей сохраняется и на больших скоростях полета. ТРДД могут быть эффективными для сверхзвуковых скоростей 
полета, если выполнять сжигание топлива в обоих контурах.  

1.1. Конструктивно-технологические особенности ГТД 
——————————————————————————————————— 

 

9

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) (рис. 1.2) отличается 
от ТРД тем, что газовый поток после расширения в турбине поступает в форсажную 
камеру, в которой топливо может дополнительно сжигаться. Это позволяет значительно (до 50 %) увеличивать тягу двигателя. Естественно, при этом сильно возрастает расход топлива. ТРДФ применяется в военных самолетах, где есть необходимость кратковременного увеличения тяги, например, для перехвата цели. 
Турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой (ТРДДФ) 
(рис. 1.3) имеет камеру смешения, после которой газовый поток поступает в 
форсажную. 
ТРДДФ применяется в современных военных самолетах. Он сочетает в себе 
скоростные возможности ТРДФ и экономичность ТРДД. ТРДДФ имеет более 
низкую степень двухконтурности, чем ТРДД.  
На малых и средних скоростях полета (до 750…800 км/ч) наибольшую экономичность и наилучшие взлетно-посадочные характеристики обеспечивают 
турбовинтовые двигатели (ТВД). ТВД (рис. 1.4) состоит из тех же основных элементов, что и ТРД, но снабжен воздушным винтом, вал которого соединен с 
валом турбокомпрессора через редуктор. Необходимость применения редуктора 

Рис. 1.2. Схема ТРДФ:  

1 — входное устройство; 2 — компрессор; 
3 — камера сгорания; 4 — турбина; 5 — 
форсунки форсажной камеры; 6 — выходное сопло

Рис. 1.3. Схема ТРДДФ:  

1 — вентилятор; 2 — компрессор низкого 
давления; 3 — компрессор высокого давления; 4 — камера сгорания; 5 — турбина
высокого давления; 6 — турбина низкого 
давления; 7 — форсунки форсажной камеры; 8 — выходное сопло 

Рис. 1.4. Схема турбовинтового двигателя:  

1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — 
компрессор; 4 — камера сгорания; 5 — 
турбина; 6 — выходное сопло 

1. Особенности и тенденции развития авиационных двигателей 
——————————————————————————————————— 

 

10

вызвана тем, что оптимальная частота вращения турбокомпрессора значительно 
больше оптимальной частоты вращения воздушного винта. 
Избыточная мощность турбины ТВД передается на воздушный винт, которым обеспечивается 85…90 % тяги, и только малая ее часть — реакцией газовой 
струи. Большинство ТВД выполняют по одновальной схеме, однако применяют 
и двухвальные двигатели, у которых компрессор и винт приводятся во вращение 
от разных турбин (ТВД со свободной турбиной). 
Двигатели, выполненные по такой схеме, называют также турбовальными 
(рис. 1.5). Они устанавливаются на вертолетах, наземной технике и в отдельных 
случаях на самолетах.  
Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД), конструкция которого приведена на рис. 1.6, имеет тот же принцип работы, что и ТВД.  
Вместо винта применяется винтовентилятор, представляющий собой малогабаритный высоконагруженный многолопастный воздушный винт изменяемого шага. 
Диаметр винтовентилятора примерно на 40 % меньше диаметра винта. Исследования показывают, что при одной и той же коммерческой нагрузке и одинаковой 
дальности магистральный самолет в крейсерском полете при применении ТВВД 
израсходует на 20…25 % меньше топлива, чем ТРДД. Турбовентиляторные двигатели тягой до 400 кН сейчас повсеместно применяют на пассажирских самолетах. 
Основные особенности и параметры двигателей разных поколений и динамика развития авиадвигателестроения иллюстрирует табл. 1.1.  
Несмотря на простоту рассмотренных базовых схем газотурбинных двигателей, практическая их реализация требует решения совокупности сложнейших 
конструкторско-технологических проблем, направленных на обеспечение противоречивых условий —  малой массы, высокого КПД, прочности и надежности, 
с учетом экономических факторов. 

Рис. 1.5. Схема турбовального двигателя:  

1 — входное устройство; 2 — компрессор; 
3 — камера сгорания; 4 — турбина; 5 — 
cвободная турбина; 6 — выходной вал; 
7 — выходное сопло 

Рис. 1.6. Схема турбовентиляторного
двигателя:  

1 — винтовентилятор; 2 — редуктор; 3 — 
компрессор; 4 — камера сгорания; 5 — 
турбина; 6 — выходное сопло