Изготовление вала двигателя АЛ-31Ф

Откачивающий насос маслоагрегата предназначен для откачки масла из КДА, размещен в одном корпусе маслоагрегата с нагнетающим насосом и перепускным клапаном. Масло из КДА поступает в насос через канал, отлитый в корпусе КДА. Внутри канала установлен сетчатый фильтр грубой очистки.

Два откачивающих насоса ВКА - предназначены для откачки масла из ВКА и установлены на корпусе ВКА через рессору. Каждый насос снабжен одним заборником с защитной сеткой.

Обратные клапаны установлены:

в магистрали откачки масла из ГТДЭ;

в магистрали откачки масла из двигателя.

Перепускной клапан предназначен для перепуска масла, откачиваемого из ГТДЭ, при увеличении давления в линии откачки более 0,3(-0,05;-0,10) кгс/см2. Перепуск масла через клапан предотвращает повышение давления в системе откачки из ГТДЭ. Обратный клапан установлен в блоке клапанов.

Магнитная пробка с клапаном предназначена для выявления разрушений и износа омываемых маслом деталей ВКА методом улавливания стальных (ферромагнитных) частиц. Магнитная пробка с клапаном установлена в магистрали откачки масла из ВКА. Пробка установлена в корпус клапана, фиксируется в нем замком байонетного типа и контрится проволокой.

В корпусе клапана имеются три отверстия для подвода масла к магниту пробки. При извлечении пробки эти отверстия перекрываются клапаном, что препятствует вытеканию масла из магистрали. Для обеспечения герметичности соединений по цилиндрической поверхности пробки и под фланец корпуса установлены уплотнительные кольца. Корпус клапана крепится к фланцу корпуса двумя болтами. Осмотр магнитной пробки обеспечивает обнаружение дефектов деталей ВКА и облегчает поиск неисправности двигателя при срабатывании сигнализатора стружки в масле.

Неприводной центробежный воздухоотделитель предназначен для отделения масла, поступающего из магистралей системы откачки, от воздуха. Воздухоотделитель расположен в заливной горловине маслобака. Масловоздушная эмульсия в тангенциальном направлении подводится по трубопроводу к воздухоотделителю, в которую масло, отделяясь от воздуха, стекает в маслобак, а воздух через отверстия воздухоотделителя выходит в верхнюю часть маслобака.

Маслобак сварной конструкции. Заправка маслобака может производиться через штуцер заправки под давлением или, при отсутствии штатного заправщика, через заправочную горловину с крышкой. Маслобак прикреплен к двигателю двумя металлическими лентами.

Топливная система включает: топливную систему низкого давления; основную топливную систему; топливную систему форсажной камеры; систему управления регулируемым реактивным соплом; систему ликвидации помпажа; систему управления поворотными закрылками ВНА КНД и поворотными лопатками НА КВД; систему аварийного слива топлива; дренажную систему

Все гидромеханические агрегаты топливной системы установлены на двигателе

Комплексный регулятор двигателя (КРД) установлен на самолете.

Исполнительные механизмы КРД, установленные на двигателе, приведены в таблице 1.

Наименование	Назначение	Место установки
ИМ1 ИМ2 ИМ3 ИМ4 ИМ6 ИМ7 ИМ8 ИМ10	Регулирование по командам РЧВ, РТГ, РВД Клапан перестройки программ регулирования НА КВД и РС Камера сгорания Клапан минимального форсажа Клапан дозатора системы «огневая дорожка» Клапан снижения n2 при отказе КРД Регулирование ВНА КРД Клапан управления охлаждением турбины	НР НР НР РСФ Агрегат 4033 НР НР РСФ

Управление подачей топлива осуществляется рычагом управления двигателем, электрическими командами и регулятором автоматики

Топливная система низкого давления предназначена для повышения давления топлива, поступающего из топливной системы самолета, его фильтрации, подачи в агрегаты и слива из агрегатов топливной системы двигателя.

В состав системы входят: проставка; топливоподкачивающий центробежный насос; топливный фильтр; трубопроводы; трубопроводы слива.

Основная топливная система предназначена для подачи топлива в основную камеру сгорания и автоматического поддержания заданного режима работы двигателя.

В систему входят: насос-регулятор; распределитель топлива; два датчика температуры «ТДК»; комплексный регулятор двигателя; топливный коллектор первого и второго каскадов с форсунками ОКС; узел управления НР и РСФ от РУД; трубопроводы и электрожгуты; топливный фильтр.

Топливная система форсажной камеры предназначена для подачи и распределения топлива в коллекторы форсажной камеры.

В топливную систему входят: форсажный насос; регулятор сопла и форсажа; распределитель форсажного топлива; воздушный фильтр-редуктор; топливные коллекторы; узел управления НР и РСФ от РУД; трубопроводы и электрожгуты; комплексный регулятор двигателя.

Система управления регулируемым реактивным соплом (РС) предназначена для изменения площади его критического сечения (Fс) в соответствии с законами регулирования РС и режимами работы двигателя.

Система включает: топливный насос высокого давления (НП); топливный фильтр системы управления РС; агрегат управления насосом высокого давления (АУНП); гидроцилиндры РС; обратную связь; регулятор сопла и форсажа (РСФ); пневмоцилиндры; трубопроводы;

Система ликвидации помпажа предназначена для защиты двигателя от помпажа: кратковременным выключением его с одновременным поворотом лопаток НА КВД и ВНА КНД увеличением площади критического сечения реактивного сопла; включением встречного запуска с последующим восстановлением исходного режима работы двигателя.

Система ликвидации помпажа включает: электронный блок противопомпажной защиты БПЗ в КРД; приемник давления воздуха; сигнализатор помпажа (СПТ); исполнительные механизмы в НР;

Система управления поворотными закрылками ВНА КНД и поворотными лопатками НА КВД предназначена для изменения положения:

- закрылков ВНА КНД - по программе ;

- лопаток НА КВД - по программе .

Система состоит из: регулятора ВНА КНД; регулятора НА КВД; гидроцилиндров поворота закрылков ВНА КНД; из гидроцилиндров поворота лопаток НА КВД; механической обратной связи ВНА КНД; механической обратной связи НА КВД; трубопроводов; датчиков положения ДП-11, ДС-11В

Система аварийного слива предназначена для слива топлива из баков самолета в полете.

Система включает: агрегат аварийного слива; форсажный насос; трубопроводы; электрические коммуникации.

Дренажная система предназначена для отвода из двигателя топлива и масла, проникающих через уплотнения агрегатов, и для слива остатков топлива из топливной системы и полостей двигателя после его выключения.

Основные эксплуатационные технические данные:

- максимальное давление воздуха в системе противообледенения за агрегатом управления - 5,5 кгс/см2

- максимальная температура воздуха в системе противообледенения - 480С

Система противообледенения двигателя предназначена для обогрева воздухом кока и ВНА КНД. Система включается автоматически по сигналу сигнализатора обледенения или вручную выключателем в кабине.

Система противообледенения включает: агрегат управления; пневматический электромагнитный клапан; воздушный фильтр; сигнализатор обледенения; трубопроводы и электропровода; электрические коммуникации.

Работа

При образовании льда на коке, ВНА КНД сигнализатор обледенения или вручную включенная система противообледенения подает электрическую команду на открытие пневматического клапана. Клапан открывает подвод воздуха из коллекторной полости за ВВТ через воздушный фильтр и клапан в бесштоковую полость пневмоцилиндра агрегата управления.

Регулирование расхода воздуха для обогрева происходит в зависимости от температуры воздуха за седьмой ступенью КВД.

При изменении температуры воздуха от 120 до 480С длина термобиметаллической пружины изменяется, что вызывает поворот барабана. Проходная площадь окон стакана изменяется, расход горячего воздуха увеличивается или уменьшается. Окна стакана открыты при температуре воздуха 120С и закрыты при температуре 480С.

При снятии электрической команды с пневматического электромагнитного клапана закрывается проход воздуху к пневмоцилиндру агрегата управления, а бесштоковая полость пневмоцилиндра сообщается с атмосферой. При этом под действием усилия пружины поршень перемещается и поворачивает заслонку, которая закрывает проход воздуху к ВНА КНД и коку. При перемещении поршня влево выключается микровыключеталь и снимает электрический сигнал с бортового регистратора о включении противообледенительной системы.

Автомат запуска двигателя предназначен для автоматического запуска двигателя 99 газотурбинным стартером ГТДЭ-117-1, для управления системами двигателя.

Автомат обеспечивает: запуск двигателя на земле; прокрутку двигателя; прокрутку стартера; запуск двигателя в воздухе (при работающем стартере: автоматический запуск по РУД; дублированный запуск выключателем; встречный запуск двигателя); прекращение процессов запуска, прокрутку двигателя и стартера, подготовку автомата к повторному включению; управление системами двигателя ( аварийного слива топлива; прикрытия створок.; изменения темпа сброса частоты вращения двигателя).

Принцип действия автомата заключается в выдаче электрических команд на включение и отключение агрегатов запуска двигателя и стартера по времени или сигналам, поступающим от стартера или от двигателя.

Автомат обеспечивает проведение всех операций по эксплуатации изделия.

2.2 Работа

Воздух из самолетного воздухозаборника поступает в КНД. В промежуточном корпусе (за КНД) воздух разделяется на два потока - внутренний и наружный.

Поток воздуха во внутреннем контуре поступает на КВД в основную камеру сгорания, где смешивается с топливом, впрыскиваемым через двухкаскадные форсунки коллектора основной топливной системы. Смесь воспламеняется разрядом полупроводниковых свечей. Топливо, сгорая, повышает температуру смеси. Образовавшийся газ поступает за турбину (ТВД и ТНД), вращающую роторы высокого и низкого давления.

Поток воздуха в наружном контуре обтекает трубчатые модули теплообменника, снижая температуру воздуха, поступающего на охлаждение элементов турбины.

Смешение потоков газа внутреннего контура и воздуха наружного контура происходит в смесителе.

На форсированных режимах в ФК подается топливо, которое, сгорая, повышает энергию газа. Дополнительная энергия реализуется в РС, в результате чего увеличивается тяга двигателя.

3. Повышение надежности и увеличение ресурса особо нагруженных деталей двигателя

3.1 Расчет на прочность вала КНД

3.1.1 Основные технические требования

Технические условия на изготовление валов зависят от требований к конструкции. Обработку валов производят, как правило, в центрах.

Наиболее жесткие требования по точности и шероховатости поверхности предъявляются к шейкам валов, на которые устанавливают подшипники качения.

Овальность и конусность мест, посадки не должны превышать 0,5 допуска на диаметр, а для подшипников классов точности 5, 4 и 2 - 0,25 допуска на диаметр.

Биение заплечника для подшипников классов 0 и 6 не должно превышать 0,02-0,03 мм, а для подшипников классов точности 5, 4 и 2 - 0,003 - 0,018 мм.

Контроль шеек осуществляется индикатором или миниметром.

Параметры шероховатости поверхности шеек под подшипники принимают равными Rа=0,0321,25мкм.

Допуски на относительное радиальное биение шеек валов для посадки зубчатых колец, муфт, шкивов и других подобных деталей в зависимости от окружной скорости по внешнему диаметру составляют (0,7-2) (здесь - допуск на диаметр контролируемой шейки вала; меньшее значение соответствует окружной скорости 10 м/с).

Допуски на биение упорных буртиков валов в зависимости от диаметра вала, окружной скорости сопряженных с валом деталей, а также кинематической точности зубчатых колес изменяются от 0,01 до 0,06 мм (большие значение назначают при диаметрах вала свыше 55 мм).

Допуски на перекос и несимметричность расположения шпоночных пазов на валу составляют соответственно 0,5 и 2 (здесь - допуск на ширину шпоночного паза). Если деталь устанавливают на двух шпонках, то допуск на их симметричность принимают равным 0,5.

Технологический контроль вала включает проверку диаметральных и линейных размеров (скобами и универсальными измерительными средствами) ступеней, взаимного расположения обработанных поверхностей, чистоты обработки и твердости.

3.1.2 Общие положения

Предел выносливости деталей и из элементов определяют на базе 2107 циклов, кроме специальных случаев.

При расчетной оценке влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов используются зависимости и экспериментальные данные, соответствующие базе 2107 циклов.

Расчетно-экспериментальное определение пределов выносливости по результатам натурных испытаний

Испытания деталей ГТД и их элементов с целью определения пределов выносливости должны проводиться в условиях, наиболее имитирующих реальные условия работы.

Влияние факторов, невоспроизведенных при испытаниях деталей, должно быть учтено по результатам испытаний образцов, изготовленных из материала детали.

Испытания таких образцов необходимо проводить с одновременным воспроизведением нескольких факторов: асимметрия цикла и температуры; асимметрия цикла, температуры и концентрации напряжений; концентрации напряжений, температуры, шероховатости поверхности и упрочнения и т.д.

Пределы выносливости литых лопаток компрессоров при повышенных температурах необходимо определять по результатам натурных испытаний при заданной температуре.

3.1.3 Нагрузки на валы и расчетные схемы

Для оценки прочности необходимо знать действительное распределение напряжений в сечениях вала о внешних нагрузок (постоянных и переменных).

Внешние нагрузки предаются на валы от сопряженных деталей (зубчатых колес, муфт и т.д.) и могут быть определены путем расчета (стационарные устройства при установившихся режимах работы; конвейеры с непрерывным питанием, грузоподъемные устройства и т.д.).

Если внешние нагрузки известны, то при расчетном определении внутренних силовых факторов в сечениях вал рассматривают как балку, шарнирно закрепленную в жестких опорах. Такая модель формы вала и условий закрепления близка к действительности для валов, вращающихся в опорах качения.

При установке в опоре двух подшипников качения большую часть нагрузки будет воспринимать внутренний подшипник. В этом случае условную опору можно поместить во внутреннем подшипнике. В более точных расчетах вал рассчитывают как многоопорную балку на упругих опорах с осадкой (вертикальным смещением):

,

где k- коэффициент;

- для однорядного радиального роликоподшипника;

- для цилиндрического роликоподшипника;

- для конического роликоподшипника широкой серии;

- для конического роликоподшипника нормальной серии;

b- ширина кольца; d и D - соответственно внутренний и наружный диаметры подшипника, см; Р- радиальная нагрузка, кгс. Обычно /Р =(510)10-8 см/кгс.

Условную опору для валов, опирающихся по концам на подшипники скольжения, располагают на расстоянии (0,25-0,3)l от внутреннего торца, но не далее 0,5d от внутренней кромки подшипника.

Смещение опоры от центра подшипника в сторону внутреннего торца связано со смещением в эту сторону максимальных контактных давлений вследствие деформации вала подшипника.

В уточненном расчете следует учесть распределение давлений по длине контакта цапфы и подшипника, рассматривая упругий контакт вала и подшипника через условный контактный слой.

Нагрузки от дисков, шкивов, зубчатых колес и других деталей также передаются на валы через площадки контакта. Распределение давлений (напряжений) в зонах контакта зависит от ряда конструктивных и технологических факторов, а расчетное определение этих давлений в соединениях и передачах связано со значительными математическими трудностями. В приближенных расчетах валов обычно не учитывают распределение нагрузок по длине зубьев зубчатых колес и шлицевых соединений, вдоль шпонок, вкладышей подшипников скольжения и других деталей, и при составлении расчетной схемы вала эти давления обычно заменяют эквивалентными сосредоточенными силами, приложенными в середине площадки контакта.

3.1.4 Расчет статической прочности, жесткости и устойчивости валов

Исходные данные:

d=0,083м; D=0,1м; =d/D=0,83

Нагрузки (Н=0; М=1 для расчета нагрузок на КНД):

- осевая сила Рос=104кг;

- изгибающий момент Мизг=0 кгм;

- крутящий момент Мкр=2,5106 кгм;

- температура Т=200С.

Характеристики материала 15Х16К5Н2МВ ФАБ (ЭП 866) (справочник ВИАМ т.3, стр.67):

в=100 кг/мм2; 02=85 кг/мм2; -1 =56 кг/мм2 на базе 2107 цикла; 5=12%; =45%; Е=19500 кгс/мм2; -1=33,6 кг/мм2.

Основными для валов являются постоянные и переменные нагрузки от деталей передач и рабочих дисков (например, дисков компрессора, турбины и т.д.).

Переменные напряжения в валах могут вызываться изменяющейся по времени внешней нагрузкой.

Постоянные по величине и направлению силы передач вызывают во вращающихся валах переменные напряжения, изменяющиеся по асимметричному циклу. Валы могут быть нагружены и постоянными напряжениями (например, от неуравновешенности вращающихся деталей).

На статическую прочность валы рассчитывают по наибольшей возможной кратковременной нагрузке (с учетом динамических и ударных воздействий), повторяемость которой мала и не может вызвать усталостного разрушения.

Так как валы в основном работают в условиях изгиба и кручения, а напряжения от продольных усилий не велики, то эквивалентное напряжение в точке наружного волокна

,

где и - наибольшее напряжение при изгибе моментом Ми;

и=0, и - наибольшее напряжение при растяжении:

;

к- наибольшее напряжение при кручении моментом Мк,

Мк и Wк - соответственно осевой и полярный моменты сопротивления сечения вала

Геометрические характеристики сечения:

Запас статической прочности по эквивалентным напряжениям для наиболее напряженных режимов нагружения определяется как отношение:

, где

дл - предел длительной прочности материала, соответствующий температуре времени работы на рассматриваемом режиме нагружения;

экв - максимальное эквивалентное напряжение с учетом одновременного действия осевой силы, крутящего момента и изгибного момента

Запас статической прочности по разрушающему крутящему момент определяется соотношением:

, где

Запас устойчивости при кручении определяется для валов, имеющих отношение в пределах 0,50,96 по зависимости:



расчетное значение крутящего момента, приводящего к потере устойчивости, определяется по формуле:

,

где l - длина гладкой части вала одного диаметра,

D - наружный диаметр вала

Определение запаса по сопротивлению усталости

Запас по сопротивлению усталости валов в расчетном сечении определяется при наиболее неблагоприятном режиме работы по зависимости:

Для случая, когда амплитуда и среднее напряжение цикла возрастают пропорционально, запасы по сопротивлению усталости вала изгибе и кручении определяются по следующим формулам:



- пределы выносливости материала вала при изгибе, определяющиеся по результатам главных образцов на базе 107 циклов;

- эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении;

- коэффициенты, учитывающие влияние абсолютных размеров вала для нормальных и касательных напряжений;

- коэффициенты, характеризующие чувствительность материала и асимметрию цикла.

- коэффициенты, учитывающие влияние состояния поверхности

- взяты из ОСТ1 02569-85.

- из справочника

Из справочника «Расчет на прочность деталей машин» таблица 8, стр.137 принимаем

Коэффициенты, учитывающие влияние абсолютных размеров вала для нормальных и касательных напряжений вычисляют по формулам:

;

,

где - пределы выносливости детали или гладкого образца с размерами поперечного сечения, равными размерами детали в опасном сечении.

Коэффициенты определяют экспериментально по результатам испытаний образцов или деталей.

При отсутствии экспериментальных данных о влиянии масштабного фактора на предел выносливости образцов из материала детали, значение следует вычислять по формуле:

где - нижняя граница снижения при увеличении размеров поперечного сечения,

принимаем

D - диаметр образца, мм.

Коэффициент влияния масштабного фактора при кручении принимают равным .

При заданной чистоте поверхности принимаем , где h - глубина максимального поражения в изломе деталей или образцов, испытанных на усталость при определении предела выносливости деталей или образцов, выдержанных в средах, имитирующих условия эксплуатации ().

Коэффициент, характеризующий чувствительность материала и асимметрию цикла определяется по формуле:

Подставляя полученные коэффициенты, можем определить запасы по сопротивлению усталости вала изгибе и кручении:

Запас по сопротивлению усталости валов в расчетном сечении определяется в таком случае:

3.1.5 Определение критических частот вращения вала

Рассмотрим вал на двух опорах с диском посередине, вращающийся с угловой скоростью .

Для того чтобы выяснить, является ли вращение вала с прямолинейной осью устойчивым, предположим, что вал получил некоторое отклонение и центр тяжести диска стал двигаться по окружности радиуса . Тогда на диск действуют центробежная сила и сила упругости:

где m - масса диска; - прогиб среднего сечения вала от действия единичной силы; для вала постоянного сечения:

, где

- полярный момент инерции сечения.

Если СF, то после отклонения вал снова вернется в первоначальное положение, т.е. прямолинейное положение оси является устойчивым.

В момент равновесия, т.е. в момент начала потери устойчивости, когда С=F, прогибы могут безгранично возрастать. В этом случае центробежные силы в отклоненном положении равны силам упругости, стремящимся вернуть вал в исходное состояние. Частоты вращения, при которых наступает равенство центробежных сил и сил упругости, называют критическими.

При критическом значении величина С=F, отсюда

или

(1)

Критическая частота вращения в об/мин

Равенство центробежных сил и сил упругости имеет место при любой величине прогиба, так как в пределах применимости линейной теории обе указанные силы пропорциональны прогибам.

Можно представить, что при критической частоте вращения вал совершенно теряет жесткость на изгиб; даже малая сила может вызвать значительные прогибы.

Из равенства (1) следует, что критическая угловая скорость совпадает с круговой частотой поперечных (изгибных) колебаний вала. Этот вывод справедлив и в общем случае, если детали, закрепленные на валу, рассматривают как точечные массы.

4. Способы повышения надежности и прочности особо нагруженных деталей двигателя

4.1 Классификация методов упрочнения

В машиностроении используют различные технологические методы обеспечения заданных параметров поверхностного слоя деталей с учетом заданных эксплуатационных особенностей.

Упрочнение поверхностным деформированием, обеспечивающим получение в поверхностном слое структур с повышенным содержанием дефектов, широко используется для повышения сопротивления усталости как деталей без концентраторов напряжений, так и деталей с концентраторами напряжений, работающих при умеренных температурах нагрева (до температур возврата).

Химико-термические и термические упрочняющие методы обработки (поверхностная закалка, цементация, ионное азотирование, алитирование, борирование) позволяют резко изменить физико-химическое состояние поверхностного слоя деталей и обеспечить требуемые эксплуатационные свойства (износостойкость, сопротивление усталости, жаростойкость и др.). Применение этих методов является не только эффективным, но в ряде случаев, единственно возможным способом обеспечения заданного ресурса и надежности работы деталей.

Жаростойкость, износостойкость и сопротивление коррозии могут быть существенно повышены при нанесении на рабочую поверхность детали металлических и неметаллических покрытий.

Практическое применение получили наплавление, лазерная обработка, ионное легирование и т.д. Некоторые из этих технологических процессов одновременно повышают сопротивление усталости, сопротивление коррозии и другие эксплуатационные свойства поверхностного слоя детали.

Классификация методов обеспечения требуемых параметров поверхностного слоя деталей машин для заданных условий эксплуатации приведена в таблице 4.1.

4.2 Упрочнение химико-термическими методами

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс изменений химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

При эксплуатации деталей в разных агрессивных средах, в условиях знакопеременных нагрузок наибольшим воздействиям подвергаются поверхностные слои металла.

Поверхностное легирование заключается в нагреве и выдержке металлов и сплавов при высокой температуре в газовых, жидких и твердых средах. В результате этого изменяется химический состав, структура и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов.

Если раньше химико-термической обработке подвергали лишь стали, то теперь ее используют для улучшения свойств поверхностных слоев таких металлов, как молибден, вольфрам, титан, ниобий, тантал, цирконий, кобальт, никель, медь, а также сплавов на их основе.

В настоящее время в промышленности распространены следующие виды химико-термической обработки:

цементация - насыщение углеродом;

азотирование - насыщение азотом;

нитроцементация и цианирование - насыщение азотом и углеродом;

а также различные процессы диффузионной металлизации - хромирование, алитирование, титанирование, а также борирование, силицирование, карбонитрация, многокомпонентные покрытия.

4.2.1 Сущность метода ионного азотирования

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей азотом. Азотированный слой имеет высокую твердость, которая сохраняется до температур 600650С. Азотированный слой имеет высокую износостойкость, хорошую коррозионную стойкость, повышает сопротивляемость деталей усталостному разрушению, способствует уменьшению склонности к задиранию, повышает шлифуемость и полируемость.

С другой стороны, процесс азотирования более длителен, чем цементация. Азотирование применяется для упрочнения гильз цилиндров, клапанных пружин дизельных двигателей, колончатых валов, ходовых винтов различного инструмента, деталей турбин и т.д.

Толщина азотированного слоя и содержание в нем азота зависит от многих факторов. Количество продиффудированного в металл активного азота определяется температурой процесса, давлением и скоростью прохождения аммиака через печь. Обычно азотирование производится при температуре 500600С в течение 3060 часов. При этом глубина азотированного слоя получается в пределах 0,250,65 мм. С повышением температуры процесса скорость диффузии резко возрастает, что позволяет сократить время азотирования. Однако при этом происходит коагляция нитридов и снижается поверхностная твердость.

Азотированию подвергают стали, имеющие в своем составе сильные нитридообразователи. Для азотирования используют стали 38ХВФ10А, 38ХЮ, 12Х2Н4ВА и др. Кроме того, азотированию подвергают детали коррозионностойких, жаростойких и инструментальных сталей. Предварительно изделия проходят необходимую механическую, а также термическую обработку, заключающуюся обычно в улучшении или закалке и высоком отпуске.

Основными широко распространенными двигателей во многом определяется состоянием их поверхности и, в первую очередь, ее износостойкостью.

Долговечность деталей газотурбинных методами повышения износостойкости поверхности деталей авиационных двигателей и самолетов являются азотирование, цементация и нитроцементация.

Детали, которые в процессе эксплуатации в основном работают на трение, подвергаются азотированию. Поверхности деталей, которые испытывают в работе переменные контактные нагрузки, упрочняют цементацией или нитроцементацией.

Однако эти методы, несмотря на их эффективность, доставляют много трудностей в производстве, особенно при изготовлении деталей сложной конфигурации, с тонкими стенками, высокой степенью точности.

Широко используемый в промышленности метод азотирования в диссоциированном аммиаке с применением печного нагрева обладает такими серьезными недостатками, как большая длительность процесса, трудность насыщения азотом легко пассивирующихся высоколегированных сталей, образование хрупкой -фазы на поверхности деталей, их значительные нестабильные деформации.

В результате цементации деталей с последующим их нагревом до высокой температуры и резким охлаждением при закалке возникают значительные деформации, требующие больших припусков, а в связи с этим времени затрат на доработку. Шлифование, являющееся основной операцией при обработке азотированных, цементированных и закаленных поверхностей, представляет собой длительный и трудоемкий процесс. При обработке деформированных деталей часто съем упрочненного слоя бывает неравномерным, что снижает качество и долговечность деталей. Иногда же деформации выходят за поле допуска припуска на обработку, что является неисправимым браком. Кроме того, как после цементации, так и после азотирования сложных деталей некоторые поверхности бывают недоступны для шлифования, и приходится доводить детали еще более трудоемкой операцией - притиркой.

Внедрение нового, экологически чистого, процесса ионного азотирования позволило не только избавиться от перечисленных выше недостатков, но и добиться ряда важных преимуществ.

С помощью ионного азотирования достигнута высокая эффективность повышения стойкости режущих инструментов и штампов горячего деформирования при изготовлении деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых, титановых и нержавеющих сталей.

4.2.2 Ионное азотирование деталей

Долговечность деталей газотурбинных двигателей во многом определяется состоянием их поверхности, и в первую очередь ее износостойкостью. Одним из широко распространенных методов повышения износостойкости поверхностей деталей авиационных двигателей и самолетов является азотирование. Азотированию подвергаются детали, которые в процессе эксплуатации в основном работают на трение.

Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом. Азотирование проводится с целью повышения твердости и износостойкости поверхностных слоев стальных изделий, улучшения сопротивления усталости и электрохимической коррозии деталей.

При азотировании азот образует с железом ряд фаз: азотистый феррит - твердый раствор азота в -железе, азотистый аустенит - твердый раствор азота в -железе, промежуточные ` -фазу Fe4N, -фазу Fe2N и др. Однако нитриды железа обладают недостаточной прочностью, твердостью, высокой хрупкостью по сравнению с нитридами хрома CrN, Cr2N, молибдена MoN, алюминия AlN и некоторых других легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают легированные стали, содержащие указанные элементы: 45Х14Н14В2М, 1Х12Н2ВМФ, 15Х16К5Н2МВФАБ-Ш и другие стали, которые используются для изготовления втулок, штоков, седел клапанов, различных корпусов и т. д.

Широко используемый в промышленности метод азотирования в диссоциированном аммиаке с применением печного нагрева обладает такими серьезными недостатками, как большая длительность процесса, трудность насыщения азотом легко пассивирующихся высоколегированных сталей, образование хрупкой -фазы на поверхности деталей, их значительные нестабильные деформации. Шлифование, являющееся основной операцией при обработке азотированных поверхностей представляет собой длительный и трудоемкий процесс.

Процесс ионного азотирования осуществляется в вакуумной рабочей камере, в которой детали являются катодом, а заземленный корпус камеры - анодом. При пониженном давлении азотосодержащей атмосферы приложение электрического потенциала между деталями и корпусом камеры вызывает ионизацию газа. В результате бомбардировки ионами детали нагреваются до требуемой температуры, а поверхность, насыщаясь азотом, упрочняется.

Обычно азотирование проводят при температурах ниже 600С, когда происходит преимущественная диффузия азота. Скорость диффузионного переноса азота зависит от температуры, градиента концентрации, состава и строения основного материала и других факторов. Диффузия атомов азота осуществляется по вакансиям, дислокациям и другим дефектам кристаллического строения. В результате диффузии изменяется концентрация азота в поверхностном слое по глубине.

Наибольшее ускорение процесса азотирования достигается в плазме тлеющего разряда, когда в разряженной атмосфере между деталью (катодом) и анодом возбуждается тлеющий разряд. Ионы газа бомбардируют поверхность катода и нагревают ее до температуры 470-580С. Положительно заряженные ионы азота под действием энергии электростатического поля движутся с определенной скоростью по перпендикуляру к поверхности детали, причем энергия иона азота, полученного в плазме тлеющего разряда, при разности потенциалов 800 В примерно в 3000 раз превосходит энергию атома азота при печном азотировании в диссоциированном аммиаке. Ионы азота нагревают поверхность детали, а также распыляют атомы железа с поверхности (катодное распыление). Атомы железа соединяются с азотом в плазме тлеющего разряда и образуют нитрид железа, который осаждается на поверхности детали тонким слоем. Впоследствии бомбардировка слоя FeN ионами азота сопровождается образованием низших нитридов FeNFe3NFe4N и твердого раствора азота в -железе Fe(N). Азот, образовавшийся при распаде низшего нитрида, диффундирует в глубь материала детали, а железо снова распыляется в плазму.

В отличие от печного нагрева при ионном азотировании (в плазме тлеющего разряда) разогрев деталей осуществляется за счет энергии плазмы, расходуемой пропорционально массе садки. При этом не требуется печей с массивной кладкой.

Азотирование легкопассивирующихся высокохромистых нержавеющих сталей обязательно требует добавок водорода в газовую среду. Для получения качественных диффузионных слоев без -фазы на поверхности при ионном азотировании сталей различных классов целесообразно проводить стадию катодного распыления в водороде при давлении около 13 Па и напряжении около 1000 В, а стадию насыщения - в смеси (3-5%) водорода и (95-97%) азота при давлении 133-1330 Па. Газовая среда такого состава обеспечивает равномерность толщины диффузионных слоев на деталях, размещенных в садке по объему рабочей камеры. Увеличение давления смеси на второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования, по действующей серийной технологии. Зависимость глубины диффузионного слоя от продолжительности насыщения при ионном азотировании так же, как и при печном, имеет параболический характер. Влияние температуры ионного азотирования на глубину слоя имеет зависимость, близкую к экспоненте.

При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой -фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования максимальную твердость имеет поверхность. Диаметры азотированных деталей типа «вал» изменяется, как правило, на 30-40 мкм, что зачастую укладывается в поле допуска. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранение чистоты, можно ее не обрабатывать, либо ограничиться полированием или легкой притиркой.

С помощью ионного азотирования на базовом заводе удалось достичь высокой эффективности в повышении стойкости режущих инструментов и штампов горячего деформирования при изготовлении деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых, титановых и нержавеющих сталей.

Практика внедрения и использования процесса ионного азотирования деталей в промышленности показала целесообразность широкого внедрения этого процесса в серийное производство. Процесс ионного азотирования позволяет:

- увеличить ресурс работы азотированных деталей;

- обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

- сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операции по нанесению гальванопокрытий;

- в ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

- сократить продолжительность цикла азотирования более чем в 2 раза;

- улучшить гигиену труда.

Особенностью производства авиационных двигателей является большое разнообразие марок сталей, в том числе упрочняемых азотированием. Разработке технологического процесса ионного азотирования предшествовал глубокий анализ достижений в этой области зарубежных и отечественных исследований.

Исследованию упрочнения ионным азотированием подвергались конструкционные стали перлитного, аустенитного, мартенситного, переходного классов, мартенситно-стареющие стали следующих материалов: 38Х2МЮА, 30Х3ВА, 38ХА, 40ХА, 13Х11Н2В2МФ (ЭИ961), 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 25Х18Н8В2, 40Х10С2М, 14Х10С2М, 14Х17Н2, 15Х15К5Н2МВФАБ-Ш (ЭП866), 30Х2НВА, 16Х3НВФАБ-Ш, (ДИ39, ВКС-5), Н18К9М5Т (МС200) и др. Задача исследований - разработка технологических процессов с целью перевода печного азотирования деталей на ионное, новых технологических процессов ионного азотирования деталей вместо цементации, а также ранее не упрочняемых химико-термической обработкой.

Для деталей, работающих на износ при небольших контактных давлениях в условиях коррозии, необходимо получение диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, от которой зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление коррозии.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках в условиях износа при повышенных контактных нагрузках, нужно стремиться к получению слоя с большой зоной внутреннего азотирования.

Варьирование структуры слоя позволяет получать разнообразные сочетания слоя и сердцевины. Это подтверждается многочисленными примерами азотирования для различных групп деталей.

При разработке технологических процессов были проведены комплексные систематические исследования влияния основных технологических факторов на качество и эксплуатационные характеристики диффузионного слоя при ионном азотировании с целью оптимизации их параметров.

Высокое содержание водорода в смеси, в том числе и соответствующее составу при полной диссоциации аммиака, способствует образованию нитридных фаз на азотируемой поверхности в виде монослоя вплоть до -фазы (Fe2N). Кроме того, смесь азота с высоким содержанием водорода как в баллоне смесителя, где производится приготовление смеси, так и в рабочей камере через определенное время начинает оказывать влияние на глубину азотированного слоя, а также на его неравномерность на деталях по объему садки. Водород в газовой среде при ионном азотировании играет роль восстановителя оксидов на упрочняемой поверхности, препятствующих непосредственному контакту и взаимодействию азота с металлом.

Стали обычного класса азотируются в чистом азоте без добавок водорода. Однако азотированные слои не всегда бывают равномерными по глубине.

В результате исследований влияния давления в рабочей камере на качество азотированного слоя можно рекомендовать проведение первой стадии (катодного распыления) в водороде при давлении около 13 Па и при напряжении около 1000 В. Увеличение давления смеси второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя, и ионное азотирование следует проводить при давлении 133-1330 Па.

На качество диффузионных слоев влияют температура и продолжительность процесса. На рисунке.. показано влияние этих факторов на глубину слоя некоторых сталей, отличающихся составом и являющихся типичными представителями различных классов.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования по действующей серийной технологии.

Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя является важной эксплуатационной характеристикой. При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой -фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования всех сталей максимальную твердость имеет поверхность. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранения чистоты, можно ее не обрабатывать либо ограничится полированием или легкой притиркой.

После ионного азотирования у всех сталей -фаза на поверхности отсутствует. Отсутствие -фазы на поверхности при ионном азотировании обусловлено, вероятно, барьерным воздействием оксидов, снижающих содержание азота непосредственно на металле, катодным распылением и меньшей устойчивостью -фазы в вакууме и в плазме тлеющего разряда.

Одной из основных эксплуатационных характеристик многих деталей авиадвигателей и самолетов является износостойкость.

Исследование износостойкости проводилось как с поверхности азотированных образцов, так и после шлифования на глубину 0,03-0,06 мм.

Ионному азотированию деталей в серийном производстве подвергают в основном три вида деталей. Это детали, подвергаемые обычному азотированию в диссоциированном аммиаке, цементируемые детали с небольшими и средними нагрузками работы на изделии и детали со значительным износом, не подвергаемые упрочнению химико-термической обработкой из-за невозможности последующей доработки шлифованием ввиду сложной геометрической формы.

Большая длительность изотермической выдержки, достигающая 50 ч, при значительной номенклатуре азотированных деталей нередко нарушает ритмичность производства. Другим существенным недостатком серийной технологии является большая трудоемкость при изготовлении деталей, связанная с нанесением и удалением гальванических покрытий, применяемых для защиты от азотирования. Шлифование азотированных деталей, особенно сложной конфигурации, иногда сопровождается неравномерным браком, который практически не обнаруживается контролем и проявляется лишь в процессе эксплуатации на серийном двигателе в результате преждевременного износа дефектного слоя. При шлифовании деталей, особенно из такой сложнолегированной стали, как 15Х16К5Н2МВФАБ, на острых кромках иногда образовывались трещины вследствие релаксации остаточных напряжений, а также в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой непосредственно после азотирования.

Целесообразно подвергать упрочнению ионным азотированием окончательно изготовленные детали. Это обусловлено тем, что максимальной твердостью и износостойкостью после ионного азотирования обладает непосредственно поверхность или близко прилегающие к ней слои, в то время как после обычного азотирования более работоспособными оказываются слои, расположенные на некотором расстоянии от поверхности.

Чтобы учесть припуск на «припухание» при изготовлении, было исследовано влияние ионного азотирования на изменение размеров деталей. Исследования проводились на типовых представителях деталей. Была установлена статистика распределения деталей по изменению размеров. Детали типа вал имеют после ионного азотирования увеличение диаметра. У втулок и сфер наружный диаметр увеличивается, а внутренний - уменьшается. У большинства азотированных деталей диаметр изменился на 30 - 40 мкм.

Некоторые детали азотируют после финишной механической обработки, и отклонения размеров укладывались в поле допуска. Таким образом, в процессе изготовления деталей исключалась трудоемкая операция шлифования азотированной поверхности. Это обстоятельство позволяет расширить номенклатуру упрочняемых деталей, где механическая обработка после их упрочнения затруднительна или невозможна (например, изогнутые детали типа бандаж).

Для защиты неазотированных поверхностей была разработана и изготовлена оснастка. При ионном азотировании деталей в отличие от печного защита поверхностей, не подлежащих азотированию, является наиболее технологичной. Никелирование и лужение, применяемые для защиты неазотируемых поверхностей при печном азотировании, являются операциями трудоемкими и не всегда обеспечивают необходимое качество защиты. Кроме того, после азотирования часто необходимо удаление этих покрытий химическими или механическими способами.

При ионном азотировании защита неазотируемых поверхностей осуществляется с помощью металлических экранов, которые плотно соприкасаются с поверхностью, не подлежащей азотированию (зазор не более 0,2 мм). Эта поверхность не подвергается воздействию тлеющего заряда и, таким образом, надежно защищается от азотирования. При азотировании деталей многократно применялась защита от азотирования с помощью экранов различных поверхностей, таких как плоскости, внутренние и наружные цилиндрические поверхности, резьбовые поверхности и др. Практика показала надежность и удобство такого способа защиты. Приспособления для этих целей могут использоваться многократно. Поверхности деталей, не подлежащие азотированию, могут быть обработаны окончательно.

Процесс ионного азотирования позволяет:

увеличить ресурс работы азотированных деталей;

обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операций по нанесению гальванопокрытий;

в ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

сократить продолжительность цикла азотирования более чем в два раза;

улучшить гигиену труда.

В промышленности в настоящее время применяют три различных вида азотирования: для получения высокой твердости поверхностного слоя, антикоррозионное ионное и «мягкое» азотирование и др.

Для получения высокой твердости деталей из конструкционных сталей процесс ведут при температуре от 500 до 520С в течение до 90 часов. Степень диссоциации аммиака регулируется его подачей и колеблется в пределах от 15 до 60%. При одноступенчатом режиме азотирования процесс ведут при постоянной температуре (500520С), а затем ее поднимают до 560570С. Это приводит при пониженной температуре к образованию вначале тонкого хорошо насыщенного азотом слоя с мелкодисперсными нитридами, а затем, при повышении температуры, скорость диффузии возрастает и сокращается время получения необходимой толщины азотированного слоя. Двухступенчатый цикл азотирования снижает время процесса насыщения стали азотом в 22,5 раза.

При совершенствовании процесса азотирования должны быть решены следующие важные задачи:

создание регулируемого процесса, обеспечивающего получение заданного газового состава, строения и глубины диффузионного слоя;

интенсификация процесса формирования азотированного слоя.

Разработаны два принципиально новых метода прямого контроля процесса азотирования, один из них позволяет оценивать азотный потенциал атмосферы печи по ее ионному составу (ионные диссоциомеры), а с другой - открывает возможности прямого анализа кинетики формирования диффузионных покрытий в процессе азотирования (токовихревые анализаторы). Азотный потенциал контролируется при помощи ионизационного датчика с обратной связью со смесеприготовительной системой.

Для азотирования должны применяться качественно новые установки с программным управлением технологическим процессом. Интенсификация процесса азотирования может быть достигнута путем повышения температуры насыщения, регулирования активности атмосферы, изменения ее состава, а также применения магнитных полей и различных видов электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего).

При химико-термической обработке глубина насыщенного слоя в некоторых случаях бывает больше требуемой, в других - меньше требуемой, иногда возникает коробление и деформация, растрескивается насыщенный слой и т.п. Характеристика брака химико-термической обработки, основные причины его появления, мероприятия по устранению брака приведены в таблице.

4.2.3 Оборудование

Установка ионного азотирования типа ИОН-30 предназначена для азотирования деталей из сталей и чугунов в плазме тлеющего заряда.

Ионное азотирование обладает рядом существенных преимуществ перед газовым азотированием:

большей скоростью насыщения;

возможностью проведения регулируемых процессов насыщения;

возможностью азотирования нержавеющих сталей без предварительной депассивации;

незначительными деформациями в процессе обработки;

экономичностью и экологической безопасностью.

Ионному азотированию могут подвергаться самые разнообразные детали, а также инструмент.

Для того чтобы охватить более широкий ассортимент обрабатываемых деталей, разработано пять различных модификаций установок одной мощности. Эти модификации отличаются друг от друга размерами и количеством рабочих камер.

Установка ИОН-30 предназначена для азотирования короткомерных деталей и имеет две рабочие камеры.

Технологический процесс азотирования одновременно возможен только в одной из рабочих камер. Во второй камере в это время можно проводить режим охлаждения деталей после азотирования, съем готовых деталей и подготовку новой садки.

Детали, подвергаемые обработке, устанавливаются на катодной плите.

Газовая рампа и источник питания являются унифицированными для всех модификаций установок ИОН-30.

Установка ионного азотирования является сложной системой, от надежности работы различных узлов которого зависит эффективность ее использования. Для нормальной работы установки необходимо выполнить ряд условий, главными из которых являются:

Соблюдение требований вакуумной гигиены в помещении, где установлена установка;

Обслуживание установки постоянной, специально обученной бригадой;

Профилактический осмотр вакуумного и электронного оборудования не реже одного раза в квартал.

Ионное азотирование - современный высокоэффективный процесс, позволяющий улучшить качество азотируемых изделий, увеличить производительность труда, резко повысить ритмичность производства, а также поднять на новую качественную ступень процессы химико-термической обработки в машиностроении.

В комплект установки ионного азотирования входит:

Механическая часть:

рабочая камера, комплект 1-2

газовый шкаф, комплект 1

газовая рампа, комплект 1

Система электропитания и автоматика

силовой шкаф, комплект 1

шкаф управления, комплект 1

ЗИП, комплект 1

Устройство и работа установки

Установка содержит две рабочие камеры 1 и 2, систему вакуумирования 3, систему очистки и дозирования рабочего газа 4, газовую рампу 5 и систему электропитания 6. Детали, предназначенные для азотирования, после необходимой подготовки загружаются в одну из рабочих камер 1 или 2. Технологический процесс азотирования одновременно возможен только в одной рабочих камер. Во второй камере в это время можно проводить режим охлаждения деталей после азотирования, съем готовых деталей и подготовку новой посадки.

В предварительно разряженную до давления 310-2 тор. камеру при постоянно работающем насосе подается рабочий газ. На обрабатываемую деталь, играющую роль катода, подается напряжение в 300-800 вольт. Процесс осуществляется при давлении 1-7 тор. Рабочим газом может служить азот или смесь газов (азот + водород). Образование азотированного слоя происходит по всей поверхности обрабатываемой детали.