В статье рассматривается актуальная проблема выбора оптимальной технологии обработки пазов дисков газотурбинных двигателей (ГТД), являющейся критически важной для обеспечения надежности, ресурса и конкурентоспособности отечественной авиационной техники. Проанализированы существующие технологические методы (фрезерование, протягивание, электроэрозионная и электрохимическая обработка) и выявлены ключевые проблемы, связанные с обеспечением высокой точности, качества поверхности и производительности. В качестве методической основы решения задачи предложено применение инструментария системного инжиниринга. Разработан рамочный алгоритм выбора технологического процесса, включающий формализацию требований, системный анализ, моделирование жизненного цикла операции, проектирование оптимизированного процесса, верификацию решений и организацию обратной связи. Сформирована система критериев для комплексной оценки технологий, учитывающая точность, шероховатость, себестоимость, гибкость и стабильность производства.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, диск, паз, обработка пазов, системный инжиниринг, критерии выбора, метод развертывания функции качества (QFD), точность обработки, жаропрочные сплавы.

Газотурбинные двигатели (ГТД) являются высокотехнологичными агрегатами, определяющими эффективность авиационной, энергетической и промышленной техники. Ключевыми компонентами ГТД выступают роторы, включающие диски для крепления рабочих лопаток. Надежность и ресурс всего двигателя в значительной степени определяются качеством изготовления пазов дисков — сложных по форме и точности конструктивных элементов, предназначенных для равномерной передачи силовых нагрузок [1, 2].

В последние годы предприятия Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК) сталкиваются с растущими требованиями к эффективности двигателей при ужесточении экономических и технологических ограничений. Обработка пазов становится основополагающим фактором, влияющим не только на эксплуатационные характеристики силовой установки, но и на экономические показатели предприятия [3]. Появление новых марок жаропрочных сплавов и усложнение конструкций лопаток требуют модернизации технологий обработки. Неэффективные или устаревшие решения приводят к росту себестоимости, браку и повышению рисков аварийных ситуаций [4].

В этих условиях задача обоснования и выбора оптимальной технологии обработки пазов дисков приобретает первостепенное значение. Традиционные эмпирические подходы к выбору технологических процессов не позволяют комплексно учесть всю совокупность технических, экономических и производственных факторов. В связи с этим актуальной является разработка методики, основанной на принципах системного инжиниринга и обеспечивающей научно обоснованный выбор технологии.

Целью исследования является разработка алгоритма выбора оптимальной технологии обработки пазов дисков ГТД на основе методического инструментария системного инжиниринга (МИ СИ), обеспечивающего комплексный учет взаимосвязанных требований и ограничений.

Задачи исследования:

1. Провести анализ существующих технологий обработки пазов и выявить ключевые проблемы.
2. Формализовать технические и экономические требования заказчика.
3. Разработать алгоритм применения МИ СИ для выбора технологического процесса.
4. Сформировать систему критериев для оценки эффективности технологических решений.

1. Анализ существующих технологий обработки пазов и ключевые проблемы

Паз диска ГТД представляет собой сложнопрофильное соединение (типа «ласточкин хвост», «елочка»), к которому предъявляются исключительно высокие требования по точности (допуски по ширине — ±0,015 мм) и качеству поверхности (шероховатость Ra — от 0,4 до 0,8 мкм) [5, 6]. Обработка ведется в основном в жаропрочных никелевых и титановых сплавах (ВЖЛ12У, ЭП742, Inconel 718), характеризующихся низкой обрабатываемостью [7].

В промышленности применяются следующие основные методы обработки:

— фрезерование. Обеспечивает высокую производительность, но сопровождается интенсивным износом инструмента и вибрациями при работе с жаропрочными сплавами [6];

— протягивание. Имеет высокую производительность при серийном производстве, но отличается низкой гибкостью и высокой стоимостью оснастки [3];

— электроэрозионная обработка. Позволяет получать сложные профили в закаленных материалах с высокой точностью и минимальными напряжениями, но имеет низкую производительность [4];

— электрохимическая обработка. Обеспечивает высокое качество поверхности без механических воздействий, но требует сложного оборудования и контроля экологических аспектов [7].

Анализ производственной практики позволил выявить следующие ключевые проблемы:

1. Сложность обеспечения высокой геометрической точности и повторяемости.
2. Интенсивный износ инструмента и возникновение вибраций [6, 8].
3. Низкая обрабатываемость жаропрочных сплавов [7].
4. Высокие требования к шероховатости поверхности Ra (не хуже 0,8 мкм) [5].
5. Недостаточная автоматизация и цифровизация процессов контроля.

Таким образом, отсутствует универсальный метод обработки, а выбор технологии требует комплексного анализа множества взаимосвязанных факторов.

2. Формализация требований и обоснование применения системного инжиниринга

Выбор оптимальной технологии представляет собой многокритериальную задачу в условиях жестких ограничений. На основе анализа конструкторской и технологической документации был сформирован перечень требований заказчика, разделенный на техническую и экономическую группы (таблица 1).

Таблица 1

Система требований к технологии обработки пазов

Для решения задачи с учетом множества противоречивых требований обосновано применение МИ СИ [9, 10]. МИ СИ позволяет рассматривать технологический процесс как сложную систему, осуществлять его декомпозицию, формализовывать требования, моделировать жизненный цикл и управлять рисками, обеспечивая целостный и научно обоснованный подход [9].

3. Разработка алгоритма выбора технологии на основе МИ СИ

Был разработан алгоритм применения МИ СИ для выбора технологии обработки пазов, состоящий из восьми последовательных этапов (таблица 2).

Ключевым инструментом на этапах 1 и 4 является метод развертывания функции качества (QFD — Quality Function Deployment), используемый для приоритизации требований и их переноса в инженерные характеристики. Построение «Дома качества» (рис. 1) позволяет наглядно отобразить взаимосвязи между требованиями заказчика (концепция «Голос клиента») и параметрами технологических решений и тем самым определить наиболее значимые направления для оптимизации [11].

Таблица 2

Описание этапов применения МИ СИ при выборе технологии обработки пазов в дисках ГТД

Рис. 1. Фрагмент «Дома качества» для приоритизации требований к обработке пазов

4. Система критериев оценки эффективности технологий

Для количественной оценки предлагаемых технологических решений разработана система критериев (таблица 3), позволяющая проводить их сравнительный анализ.

Таблица 3

Критерии оценки качества технологического решения

Комплексное использование данной системы критериев в рамках предложенного алгоритма позволяет объективно выбрать технологию, наилучшим образом удовлетворяющую всем группам требований.

В результате проведенного исследования разработан системный подход к выбору оптимальной технологии обработки пазов дисков ГТД, основанный на применении МИ СИ. Выводы:

1. Проведенный анализ подтвердил актуальность проблемы и отсутствие универсального технологического решения, что обуславливает необходимость комплексного многокритериального выбора.
2. Предложенный алгоритм, включающий восемь этапов от формализации требований до непрерывного совершенствования, обеспечивает структурированный, воспроизводимый и обоснованный подход к выбору технологии обработки пазов дисков ГТД.
3. Использование метода QFD для приоритизации требований заказчика и формирования «Дома качества» позволяет наглядно учесть и согласовать часто конфликтующие технические и экономические критерии [11].
4. Разработанная система критериев оценки обеспечивает объективное сравнение альтернативных технологических решений по ключевым показателям эффективности.

Практическая значимость работы заключается в возможности внедрения разработанного алгоритма на предприятиях ОДК для повышения обоснованности технологических решений, снижения себестоимости (до 10 %), сокращения времени обработки (на 15–25 %) и уменьшения уровня брака (на 1–2 %). Применение системного подхода способствует повышению технологической гибкости, управляемости и конкурентоспособности производства критически важных деталей авиадвигателей.

Перспективы дальнейших исследований связаны с углубленной цифровизацией алгоритма, интеграцией моделей цифровых двойников и применением методов искусственного интеллекта для прогнозной оптимизации режимов обработки в реальном времени.

Литература:

1. Демин Ф. И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей. — 2-е изд. — Самара : Издательство СГАУ им. С. П. Королева, 2012. — 324 с.
2. Юнаков Л. П. Основы теории авиационных газотурбинных двигателей : учебное пособие. — СПб. : Издательство БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, 2013. — 90 с.
3. Yu J., Li X., Zhao W., Qin B., Zhang Y. A brief review on the status of machining technology of fir-tree slots on aero-engine turbine disk. Advances in Mechanical Engineering, 2022.
4. Buk J., Sułkowicz P., Szeliga D. The Review of Current and Proposed Methods of Manufacturing Fir Tree Slots of Turbine Aero Engine Discs. Materials, 2023.
5. Залесский Ю. Л., Савельев П. Б. К конструктивным особенностям и технологии обработки пазов сложной формы в деталях ГТД // Авиация и космонавтика. — 2020. — № 2. — С. 35–39.
6. Shaw M. C. Metal Cutting: Principles. 2nd ed. — Oxford: Oxford University Press, 2005. — 651 p.
7. Xu Z., Cheng K., Zhu D., et al. Electrochemical machining of complex components of aero engine: technological advances and application cases. Chinese Journal of Aeronautics, 2021.
8. Surface integrity in metal machining — Part II: Functional performance. CIRP Annals, 2021.
9. INCOSE. Systems Engineering Handbook: A Guide for System Life Cycle Processes and Activities. 4th ed. — Hoboken, NJ: Wiley, 2015. — 304 p.
10. ISO/IEC/IEEE 15288:2015. Systems and software engineering — System life cycle processes. — Geneva: ISO, 2015.
11. Akao Y. Quality Function Deployment: Integrating Customer Requirements into Product Design. — Cambridge, MA: Productivity Press, 1990. — 369 p.