Производство авиационных двигателей, будь то поршневых или реактивных, включает в себя преобразование сырья в чрезвычайно надежные точные машины. Эксплуатационные условия с высокими нагрузками, связанные с воздушным транспортом, требуют использования широкого спектра высокопрочных материалов. Используются как традиционные, так и уникальные методы производства.
Строительные материалы
Авиадвигатели в основном состоят из металлических компонентов, хотя в последние годы для некоторых деталей стали использоваться пластиковые композиты. Различные алюминиевые и титановые сплавы используются там, где первостепенное значение имеют прочность и малый вес (элементы конструкции, секции компрессора, рамы двигателя). Хромовые, никелевые и кобальтовые сплавы используются там, где требуется устойчивость к высоким температурам и коррозии (секции камеры сгорания и турбины). Многочисленные стальные сплавы используются в промежуточных местах.
Поскольку минимизация веса самолета является критическим фактором снижения стоимости жизненного цикла (максимизация полезной нагрузки, минимизация расхода топлива), недавно были внедрены передовые композитные материалы в качестве легкой замены алюминия, титана и некоторых стальных сплавов в конструкционных деталях и воздуховодах, где высоких температур не испытывает. Эти композиты состоят в основном из полиимидных, эпоксидных и других систем смол, армированных ткаными стекловолоконными или графитовыми волокнами.
Производственные операции
Практически все обычные операции по металлообработке и механообработке используются в производстве авиационных двигателей. Это горячая ковка (профили, диски компрессоров), литье (конструктивные элементы, станины двигателей), шлифовка, протяжка, токарная обработка, сверление, фрезерование, резка, распиловка, нарезание резьбы, сварка, пайка и другие. Сопутствующие процессы включают финишную обработку металла (анодирование, хромирование и т. д.), гальваническое покрытие, термообработку и термическое (плазменное, пламенное) напыление. Высокая прочность и твердость используемых сплавов в сочетании с их сложными формами и точными допусками требуют более сложных и строгих требований к механической обработке, чем в других отраслях промышленности.
Некоторые из наиболее уникальных процессов металлообработки включают химическое и электрохимическое фрезерование, электроэрозионную обработку, лазерное сверление и электронно-лучевую сварку. Химическое и электрохимическое измельчение включают удаление металла с больших поверхностей таким образом, чтобы сохранить или создать контур. Детали, в зависимости от их конкретного сплава, помещают в ванну с контролируемой кислотой, щелочью или электролитом высокой концентрации. Металл удаляется химическим или электрохимическим воздействием. Химическое фрезерование часто используется после ковки аэродинамических профилей, чтобы привести толщину стенок в соответствие со спецификацией при сохранении контура.
Электроэрозионная обработка и лазерное сверление обычно используются для изготовления отверстий малого диаметра и сложных контуров в твердых металлах. Много таких отверстий требуется в компонентах камеры сгорания и турбины для целей охлаждения. Удаление металла осуществляется высокочастотным термомеханическим воздействием электроискровых разрядов. Процесс проводят в диэлектрической ванне с минеральным маслом. Электрод служит обратным изображением нужного разреза.
Электронно-лучевая сварка используется для соединения деталей, где требуется глубокий проплавление сварного шва в труднодоступных геометриях. Сварка создается сфокусированным, ускоренным пучком электронов в вакуумной камере. Кинетическая энергия электронов, ударяющихся о заготовку, преобразуется в тепло для сварки.
Производство композитных пластиков предполагает либо «мокрую» укладку, либо использование предварительно пропитанных салфеток. При влажной укладке вязкая неотвержденная смесь смолы распределяется по инструментальной форме или форме путем распыления или нанесения кистью. Волокнистый армирующий материал вручную закладывается в смолу. Дополнительная смола применяется для получения однородности и контура с формой инструмента. Готовая укладка затем отверждается в автоклаве под действием тепла и давления. Предварительно пропитанные материалы состоят из полужестких, готовых к использованию, частично отвержденных листов композиционных материалов смолы и волокна. Материал нарезается по размеру, вручную формуется по контурам инструментальной формы и отверждается в автоклаве. Отвержденные детали обычно обрабатываются и собираются в двигатель.
Инспекция и тестирование
Чтобы гарантировать надежность авиационных двигателей, во время изготовления и конечного продукта выполняется ряд процедур проверки, испытаний и контроля качества. Общие методы неразрушающего контроля включают радиографический, ультразвуковой, магнитопорошковый и флуоресцентный пенетрант. Они используются для обнаружения любых трещин или внутренних дефектов в деталях. Собранные двигатели обычно испытываются в оборудованных испытательных камерах перед поставкой заказчику.
Опасности для здоровья и безопасности и методы их контроля
Опасности для здоровья, связанные с производством авиационных двигателей, в первую очередь связаны с токсичностью используемых материалов и возможностью их воздействия. Алюминий, титан и железо не считаются сильно токсичными, в то время как хром, никель и кобальт представляют большую опасность. Некоторые соединения и валентные состояния последних трех металлов указывают на канцерогенные свойства у людей и животных. Их металлические формы, как правило, не считаются такими токсичными, как их ионные формы, которые обычно встречаются в ваннах для отделки металлов и пигментах для красок.
При обычной механической обработке большинство операций выполняется с использованием охлаждающих или смазочно-охлаждающих жидкостей, что сводит к минимуму образование переносимой по воздуху пыли и паров. За исключением сухого шлифования, металлы обычно не представляют опасности при вдыхании, хотя существует опасность вдыхания туманов охлаждающей жидкости. Выполняется значительный объем шлифовки, особенно деталей реактивных двигателей, для выравнивания контуров и доведения аэродинамических профилей до их окончательных размеров. Обычно используются небольшие ручные шлифовальные машины. Если такое шлифование выполняется на сплавах на основе хрома, никеля или кобальта, требуется местная вентиляция. Сюда входят столы с нисходящей тягой и самовентилирующиеся кофемолки. Дерматит и шум являются дополнительными опасностями для здоровья, связанными с традиционной механической обработкой. Сотрудники будут иметь различную степень контакта кожи с охлаждающими и смазочно-охлаждающими жидкостями в процессе крепления, осмотра и снятия деталей. Повторный контакт с кожей может проявляться различными формами дерматита у некоторых работников. Как правило, защитные перчатки, защитные кремы и надлежащая гигиена сводят к минимуму такие случаи. При обработке тонкостенных высокопрочных сплавов часто возникает высокий уровень шума из-за вибрации инструмента и вибрации детали. Это можно в некоторой степени контролировать с помощью более жесткой оснастки, демпфирующих материалов, изменения параметров обработки и сохранения острых инструментов. В противном случае необходимы средства индивидуальной защиты (например, наушники, затычки).
Угрозы безопасности, связанные с обычными операциями механической обработки, в основном связаны с потенциальными физическими травмами из-за движений рабочей точки, фиксации и привода передачи мощности. Контроль осуществляется с помощью таких методов, как стационарные охранники, входные двери с блокировкой, световые завесы, коврики, чувствительные к давлению, а также обучение и информирование сотрудников. Во время операций механической обработки всегда следует использовать защитные очки для защиты от летящей стружки, частиц и брызг охлаждающих жидкостей и чистящих растворителей.
Операции по чистовой обработке металлов, химическое измельчение, электрохимическое измельчение и гальваническое покрытие включают воздействие концентрированных кислот, щелочей и электролитов на открытые поверхности резервуаров. Большинство ванн содержат высокие концентрации растворенных металлов. В зависимости от рабочих условий и состава ванны (концентрация, температура, перемешивание, размер) в большинстве случаев потребуется какая-либо форма местной вентиляции для контроля уровня переносимых по воздуху газов, паров и туманов. Для управления обычно используются различные боковые конструкции крышек щелевого типа. Проекты вентиляции и инструкции по эксплуатации для различных типов бань можно получить в технических организациях, таких как Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) и Американский национальный институт стандартов (ANSI). Коррозионный характер этих ванн диктует использование средств защиты глаз и кожи (защитные очки от брызг, лицевые щитки, перчатки, фартуки и т. д.) при работе с этими резервуарами. Аварийные средства для промывки глаз и души также должны быть доступны для немедленного использования.
Электронно-лучевая сварка и лазерное сверление представляют радиационную опасность для рабочих. Электронно-лучевая сварка генерирует вторичное рентгеновское излучение (тормозное излучение эффект). В некотором смысле сварочная камера представляет собой неэффективную рентгеновскую трубку. Крайне важно, чтобы камера была сконструирована из материала или содержала экран, который ослабит излучение до минимального практического уровня. Часто используется свинцовая защита. Следует периодически проводить радиационные обследования. Лазеры представляют опасность для глаз и кожи (тепловую). Кроме того, существует вероятность воздействия паров металла, образующихся при испарении основного металла. Опасности луча, связанные с лазерными операциями, должны быть изолированы и, по возможности, локализованы в закрытых камерах. Комплексная программа должна строго соблюдаться. В местах образования паров металлов должна быть предусмотрена местная вентиляция.
Основные опасности, связанные с изготовлением деталей из композитного пластика, связаны с химическим воздействием непрореагировавших компонентов смолы и растворителей во время операций мокрой укладки. Особую озабоченность вызывают ароматические амины, используемые в качестве реагентов в полиимидных смолах и отвердителей в системах эпоксидных смол. Некоторые из этих соединений являются подтвержденными или предполагаемыми канцерогенами для человека. Они также проявляют другие токсические эффекты. Высокая реакционная способность этих смоляных систем, особенно эпоксидных смол, вызывает кожную и респираторную сенсибилизацию. Контроль опасностей во время операций влажной укладки должен включать местную вентиляцию и широкое использование средств индивидуальной защиты для предотвращения контакта с кожей. Операции по укладке с использованием предварительно пропитанных листов обычно не связаны с воздействием воздуха, но следует использовать средства защиты кожи. После отверждения эти детали относительно инертны. Они больше не представляют опасности составляющих их реагентов. Однако при обычной механической обработке деталей может образовываться неприятная пыль раздражающего характера, связанная с композитными армирующими материалами (стекловолокно, графит). Часто требуется местная вентиляция при механической обработке.
Опасности для здоровья, связанные с испытательными операциями, обычно связаны с излучением (рентгеновское или гамма-излучение) при радиографическом контроле и шумом при испытаниях конечного продукта. Радиографические операции должны включать комплексную программу радиационной безопасности, дополненную обучением, контролем пропусков и периодическими осмотрами. Камеры рентгенографического контроля должны иметь запирающиеся двери, рабочее освещение, аварийное отключение и надлежащее экранирование. Испытательные участки или камеры, в которых испытывают собранные изделия, должны быть акустически обработаны, особенно для реактивных двигателей. Уровень шума на пультах управления должен быть ниже 85 дБА. Следует также принять меры для предотвращения скопления выхлопных газов, паров топлива или растворителей в зоне проведения испытаний.
В дополнение к вышеупомянутым опасностям, связанным с конкретными операциями, следует отметить несколько других. Они включают в себя воздействие чистящих растворителей, красок, свинца и сварочных работ. Чистящие растворители используются во всех производственных операциях. В последнее время наблюдается тенденция перехода от использования хлорированных и фторированных растворителей к водным, терпиновым, спиртовым и уайт-спиритовым типам из-за токсичности и воздействия на озоновый слой. Хотя последняя группа может быть более приемлемой для окружающей среды, они часто представляют опасность возгорания. Количество любых легковоспламеняющихся или горючих растворителей на рабочем месте должно быть ограничено, они должны использоваться только из одобренных контейнеров и с надлежащей противопожарной защитой. Свинец иногда используется при ковке аэродинамических профилей в качестве смазки для штампов. Если это так, должна действовать комплексная программа контроля и мониторинга свинца из-за токсичности свинца. Многие виды обычной сварки используются в производственных операциях. Для таких операций необходимо оценивать воздействие паров металлов, ультрафиолетового излучения и озона. Необходимость контроля будет зависеть от конкретных рабочих параметров и используемых металлов.