Разработка методики совершенствования технологического процесса изготовления лопаток газотурбинного двигателя за счет использования цифровых технологий и методов аддитивного производства

В настоящее время одной из важнейших задач авиадвигателестроения является повышение надежности газотурбинных двигателей. Так как надежность ГТД, в том числе, обеспечивается технологическими методами, то основные усилия должны быть направлены на совершенствование производственных процессов изготовления основных деталей двигателя. Прежде всего, это касается технологий изготовления ответственных деталей горячего тракта, таких как лопатки турбины, так как они максимально нагружены и определяют ресурс работы двигателя. Лопатки характеризуются сложной пространственной формой, высокими требованиями к точности геометрических параметров и качеству поверхностного слоя. Ввиду отсутствия развитых поверхностей для точного базирования лопаток наиболее эффективным, а в некоторых случаях и единственным способом получения заготовок лопаток является бесприпусковый по профилю пера способ изготовления отливок лопаток методом монокристаллического литья и последующей механической обработкой замковой области и бандажной полки. Проведенный обзор существующих технологических процессов изготовления лопаток турбины ГТД позволил установить, что производство бесприпусковых заготовок лопаток турбины является крайне неустойчивым и характеризуется большим процентом брака (порядка 60%). В первую очередь, это связано с нестабильностью технологических режимов. Значительную часть от общего объема дефектов составляет несоответствие по макроструктуре и геометрическим параметрам пера, вызванного объемной усадкой материала. Устранение данных дефектов позволит на 20–25% повысить качество заготовительного производства лопаток. В настоящее время проводятся мероприятия по совершенствованию производственного процесса и снижению брака у заготовок лопаток. Однако отработка технологии, характеризующаяся субъективным (человеческим) фактором, осуществляется путем проведения ряда натурных экспериментов, т.е. методом проб и ошибок, что приводит к значительному перерасходу дорогостоящих материалов и энергоресурсов, повышению трудоемкости изготовления лопаток и снижению гибкости технологического процесса. Поэтому необходимым условием современного высокоэффективного производства в соответствии с концепцией «Индустрия 4.0» является разработка цифровых имитационных моделей-двойников технологического процесса с целью определения оптимальных режимов и возможностью управления ими для получения изделий требуемого качества. Проведенный технологический анализ литейного производства двигателестроительных предприятий позволил выявить узкие места. Среди наиболее важных необходимо отметить: высокий процент брака, малая гибкость технологического цикла, слабое использование современных инновационных технологий и высокотехнологичного оборудования, низкий уровень автоматизации и компьютеризации технологической подготовки производства. В рамках выполняемого проекта планируется путем обобщения и систематизации накопленного технологического опыта, использования имеющихся достаточных компетенций исполнителей проекта и тесной кооперации с ведущими авиа- и двигателестроительными предприятиями экспериментально апробировать разрабатываемую методику цифрового проектирования в производственных условиях при многономенклатурном характере производства. АКТУАЛЬНОСТЬ решения проблемы повышения качества процесса изготовления бесприпусковых по профилю пера заготовок рабочих лопаток турбины ГТД обусловлена тем, что она находится на стыке двух прорывных направлений – разработка цифровых моделей-двойников технологического процесса литья лопаток турбины ГТД (т.е. уход от натурных экспериментов) и использование аддитивных технологий (3D печать). Эти два направления открывают новую область двигателестроения – производства сложнопрофильных лопаток ГТД с использованием цифрового моделирования и на основе технологий 3D печати, а решение поставленных в проекте задач существенно расширит область применения аддитивных технологий и придаст новый стимул их развитию. Опыт показывает, что любой даже едва заметный прогресс в решении проблемы в одной из отраслей двигателестроения, например, повышение качества деталей за счет стабильности геометрических размеров заготовок лопаток, оказывает прямое воздействие на решение проблемы в других отраслях (судостроении, автомобилестроении и др.), а также в других областях промышленности (ракетно-космической технике, строительстве и архитектуре и др.), т.к. в основе новых технологических разработок обычно лежат новые научные результаты, имеющие множество конкретных практических реализаций. НАУЧНАЯ НОВИЗНА предлагаемого проекта заключается в следующем: 1. Разрабатывается новый подход к выбору и оптимизации технологических режимов процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД. Он заключается в создании методики конечно-элементного моделирования, которая будет отличаться от существующих наличием технологических звеньев: литейной установки, графитовой опоки, графитового наполнителя, керамической формы и металла и учетом их взаимного влияния. 2. Разрабатывается математическая модель определения температурного поля при литье в технологических звеньях процесса: литейная установка, графитовая опока, графитовый наполнитель, керамическая форма и металл, отличительной особенностью которой является учет нестационарного характера распределения температур. Разрабатываемая математическая модель с большой долей достоверности позволит решать принципиально новые задачи по прогнозированию усадочных дефектов и корректировки на рассчитанный процент усадки припусков для получения бесприпусковой по профилю пера отливки лопатки. 3. Устанавливается закономерность влияния параметров технологического процесса на тепловые условия направленной кристаллизации при радиационном и конвективном охлаждении формы (в металлическом расплаве). Планируется теоретически определить и экспериментально подтвердить области формирования направленной, монокристаллической и композиционной структуры в зависимости от температуры литейной установки, метода охлаждения и скорости перемещения формы. Планируется теоретически обосновать требования к конструктивным параметрам литейных установок для получения отливок с направленной и монокристаллической структурами. 4. Разрабатывается методика цифрового моделирования технологического процесса литья лопаток в современной системе компьютерного моделирования, позволяющей повысить точность определения температурного поля благодаря учету нестационарного характера распределения тепловых потоков. Данная методика позволит обеспечить совершенствование известных подходов в части цифрового моделирования технологических процессов. Необходимо отметить, что разрабатываемые математическая модель и методика цифрового моделирования позволят с высокой степенью достоверности определять напряженно-деформированное состояние отливок лопаток и прогнозировать величину объемной усадки, которая на сегодняшний день для каждой плавки определяется экспериментальным путем, а существующие немногочисленные алгоритмы ее определения носят вероятностный характер. Возможность прогнозирования и управления усадкой позволит изготавливать бесприпусковые по профилю пера отливки лопаток ГТД, что значительно сократить объем последующей механической обработки и увеличит эксплуатационные свойства лопаток, так как не будет происходить съем полезного поверхностного слоя, повышающего жаропрочные свойства лопаток.