Technologie výroby motoru M701

Ing. Dalibor Dvořák
Psáno v roce 1967

Technologie výroby proudových motorů je silně ovlivněna vysokým podílem dílců se třemi specifickými faktory, které se často navzájem kombinují:
a) tvary jsou určeny prostorovým kótováním, kde výroba i kontrola se musí provádět  dle šablon nebo etalonů (i když někdy mohou vycházet z exaktní matematické funkce)
b) obtížně obrobitelných žárupevných materiálů (odolnost a životnost při vysokých teplotách)
c) požadavku vyváženosti všech rotujících dílů (problém vibrací motoru)

Pro všechny detaily samozřejmě platí snaha minimalizace tolerančního pole rozměrů a vlastností materiálů daná požadavkem shodnosti nebo jen malého rozdílu všech vlastností motoru v provozu. Hranicí omezující tyto požadavky jsou jen nepřijatelné náklady výroby, což ale neplatí u všech případů i s malou pravděpodobností havarijního následku. Univerzální obráběcí stroje – pokud jsou dostupné – jsou většinou z ekonomických důvodů pro sériovou výrobu málo vhodné. Sériová výroba tedy musí být vybavena speciálními zařízeními (přípravky, nástroje, měřidla) a v řadě případů i jednoúčelovým obráběcím strojem.

Konkrétní technologické problémy jsou tedy hlavně u dílů na cestě vzduchu a  plynů celého rotoru i statoru. V oblasti kompresoru se jedná většinou o slitiny hořčíku a hliníku, ale u lopatek turbíny se jedná o těžce obrobitelné materiály a současně vysoký počet kusů na jeden motor. Polotovarem statorových rozváděcích lopatek turbíny je přesný odlitek (skořepinová forma s vytavitelným voskovým modelem). Dominantním problémem pro technologii je ale zvládnutí výroby oběžných lopatek, kde polotovarem je výkovek ze žárupevné slitiny.

U motoru M701 je list oběžných turbínových lopatek proti dosud vyráběným typům tvarově náročnější, rozměrově menší, síly stěny slabší a požadavky na přesnost značně vyšší. Současně je předepsán materiál, jehož obrobitelnost je podstatně obtížnější. Samostatnými a rozdílnými technologickými problémy jsou jak koryto, tak vnější povrch listu oběžné lopatky.

Geometrický tvar koryta oběžné lopatky je složen ze dvou kuželových ploch. První dostupná možnost tedy byla obrábění na kopírovacích frézkách Starrag. Pro sériovou výrobu tato technologie nevyhovovala, protože neumožňovala dosáhnout přesného profilu tvaru a zbývaly velké přídavky na ruční dokončování. Kopírování bylo možné postupně jen v jedné rovině a nástroje měly malou životnost. Vzhledem k vysokému počtu kusů současně vznikl nepřijatelný stav kapacitní a ekonomický. Pro vyřešení tohoto problému se nabízelo hledat princip obrábění založený na využití konstrukčního určení tvaru koryta lopatky složením  dvou různých kuželových ploch. V jednom místě koryta lopatky je ale povrchová přímka pro obě kuželové plochy shodná. Konstrukční princip jednoúčelového stroje spočívající v natáčení lopatky vůči kuželovému nástroji kolem osy menšího kužele a pokračování odvalování okolo druhé osy většího kužele byl ověřen nejprve na zkušebním přípravku. Na základě úspěšného výsledku zkoušek byla zkonstruována poloautomatická jednoúčelová hydraulická frézka. Ve vícestrojové obsluze tak byly podstatně sníženy náklady a zvýšila se i přesnost opracování tvaru koryta lopatky.

Pro obrábění vnějšího povrchu oběžné lopatky turbíny byl použit stejně jak u předcházejících typů kopírovací soustruh, kde kopírovací pohyb je odvozen od vačky. Jeho nevýhodou je, že čelo nože postupně svírá s tečnou obráběné plochy různý úhel, a to od pozitivního k negativnímu. Řezné podmínky jsou tak pro jednotlivá místa různé, v některých místech i velmi nepříznivé. Důsledkem bylo zhoršení kvality opracování až k nepřípustnému povrchovému narušení materiálu a důsledku nutnosti ponechání velkého přídavku na ruční dokončení přesného tvaru listu lopatky. Princip vyřešení problému tedy spočívá v nalezení konstrukčního uspořádání dodržení optimálního postavení nástroje a obrobku v průběhu celé operace. Podobný způsob byl již dříve řešen systémem dvou vaček, které ale obě ovlivňovaly polohu nástroje tak, že dosažení správného tvaru opracování povrchu listu lopatky záviselo na přesnosti obou vaček. Jednalo se tedy o konstrukčně nedokonalé řešení, protože tvar vaček musel být dokončován ručně. Princip nového dokonalejšího řešení spočíval v konstrukci jednoúčelového kopírovacího soustruhu, kde se břit nože natáčí kolem bodu jeho dotyku v řezném místě s obráběnou lopatkou tak, aby se řezné úhly v průběhu obrábění neměnily. Úhel natočení je určován samostatnou vačkou, která neovlivňuje tvar obráběné lopatky. Její tvar lze předem konstrukčně určit a na přesnost jejího provedení nejsou příliš vysoké nároky, protože malá chyba natočení nástroje není významná. Na základě uvedeného principu byly vyrobeny speciální jednoúčelové kopírovací soustruhy pracující elektrohydraulicky v poloautomatickém cyklu. Pro dosažení vysoké životnosti jsou používány kotoučové nože, které umožňují velký počet ostření. Opět bylo dosaženo podstatné snížení nákladů a zvýšena přesnost opracování povrchu listu oběžné lopatky.

Řez motorem M701

Pro díly v kompresorové části motoru byla snadnější situace v jejich snadnější obrobitelnosti, ale hlavní snahou bylo docílit snížení množství namáhavé dokončovací ruční práce rotačními pilníky (biax) na dosažení přesného konečného tvaru a vybroušení vzduchové cesty. Lopatky na kole radiálního kompresoru se z hrubého polotovaru musí jednoúčelovým strojem vyfrézovat způsobem obdobným jako u dříve vyráběných motorů. Obdobně musely být postaveny jednoúčelové stroje na opracování listů lopatek samostatné záběrné části kola kompresoru a vyfrézování kořenových míst spojení lopatek s nábojem, jak je dokumentováno následujícími fotografiemi.

Kanály zadní skříně kompresoru se opracovávají na dvou jednoúčelových hydraulických kopírovacích strojích, které rovněž podstatně snížily množství dokončovací ruční práce a zvýšily přesnost provedení. Zcela novým úkolem bylo vytvoření jednoúčelového kopírovacího stroje na opracování kanálů vstupní skříně kompresoru v jejím odlitku. Jednoúčelový stroj postupně frézuje jednotlivé kanály vstupní skříně kopírováním jejich tvaru podle vzorového kusu. Střed opracovávaného kanálu vstupní skříně je upnut na přípravku nad středem otočného stolu a otáčí se shodně se vzorovým kusem upnutém na druhém otočném stole ve shodné poloze. Hlavní potíž této operace spočívá v malém průměru kuličkové frézy, který je dán konstrukčně určenými malými radiusy v rohovém spojení žeber kanálů a tělesa vstupní skříně. Opět bylo dosaženo vysokého snížení namáhavé ruční práce a současně vyšší přesnosti opracování předepsaných tvarů.

Uvedené významné výsledky nejsou jediné, které byly dosaženy. Technologických problémů při výrobě jednotlivých dílců a sestav motoru M701 bylo samozřejmě mnohem více, ale popis jejich úspěšného vyřešení nemůže být obsažen v tomto krátkém článku. Za nejvýznamnější ale pokládám vyřešení ekonomicky přijatelné technologie výroby oběžných lopatek turbíny zejména v souvislostech mezi jejich dynamickým namáháním, zbytkovým pnutím po obrábění a životností. Jejich řešení bylo předmětem samostatné konference o výrobě lopatek konané v roce 1962 za účasti nejlepších odborníků v republice. Zásluha na dosažení všech výsledků patří technikům a dělníkům, kteří se na jejich tvorbě a realizaci podíleli.

Jednoúčelový stroj na vyfrézování kořenů lopatek dvojice záběrných částí kola kompresoru motoru M701

Jednoúčelový stroj na konečné opracování lopatek záběrné části kola kompresoru M701

Jednoúčelový stroj na leštění lopatek záběrné části kola kompresoru motoru M701