1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы Экстремальные условия работы агрегатов перспективных образцов двигательных энергоустановок в агрессивных водородосодержащих эксплуатационных средах определяют особенности конструктивного исполнения отдельных деталей сложной формы и сборочных единиц, и выдвигают специальные условия к процессам их изготовления, специфику проведения отдельных операций и их контроля. Для технологического обеспечения эксплуатационных показателей агрегатов перспективных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) необходимо особое внимание обратить на наиболее уязвимые агрегаты и детали с точки зрения эксплуатации в экстремальных условиях. К числу таких агрегатов относится турбонасосный агрегат (ТНА), который занимает особое место при разработке ЖРД. Он требует наряду с такими агрегатами, как камера сгорания, самого длительного цикла доводочных работ на всех этапах создания: проектирование, изготовление и отработка. Пространственная конструкция, высокая частота вращения, тесная взаимосвязь условий работы агрегата с процессами, протекающими в двигателе, являются причинами того, что количество дефектов по наиболее нагруженным ТНА может составлять 50-70 % от количества дефектов по всему двигателю в период его отработки. Сложность выявления причин дефектов, возникающих в процессе отработки двигателя, заключается в том, что процессы, происходящие в ТНА, быстротекущие: ротор ТНА совершает за одну секунду до 2000 оборотов, а процесс развития дефектов, связанный с высокотемпературным воздействием от горения топлива, длится сотые доли секунды. В связи с этим, создание ТНА современных ЖРД является сложной технической задачей [1].Наличие в конструкции ТНА технологически труднодоступных элементов, в ряде случаев, исключает допуск инструмента в зону обработки для реализации финишных отделочно-упрочняющих операций и требует разработки принципиально новых подходов к технологии обеспечения заданных показателей качества рабочих поверхностей роторных деталей [2]. Значительный объем отработки характерен для таких деталей, как турбины закрытого типа с неразъемным бандажом, имеющие криволинейные участки сужающихся или расходящихся стенок межлопаточного пространства [3]. В этом случае каналы не имеют сквозного просвета и получение заготовок турбин технологически большей частью ограничено методами литья в оболочковые формы с последующей высокотемпературной газостатической обработкой. Межлопаточные пространства в заготовках формируются литейными формами в условиях трудно прогнозируемой кристаллизации жаропрочных сплавов и усадочных явлений, способствующих образованию корок с трещинами и пористости. Такие заготовки передают на последующие операции технологии изготовления наследованный поверхностный слой на лопатках с недопустимыми для эксплуатации дефектами. Широко известные отечественные научные школы (ИМАШ РАН, НИАТ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, СГАУ им. С.П. Королёва, г. Самара, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, ВГТУ г. Воронеж и др.) для обработки литых поверхностей отдают предпочтение традиционным эффективным, но непроизводительным виброударным технологиям [4]. В последнее время колесо турбины с валом изготавливают из заготовки, полученной горячим изостатическим прессованием (ГИП) в индивидуальной капсульной оснастке из гранул сплава ЭП741НП. После извлечения заготовки из оснастки проводится электроэрозионная обработка по формированию профиля лопаток, окончательная механическая обработка, нанесение покрытий и параметрические испытания. В результате функционально-стоимостного анализа сквозного технологического процесса было установлено, что самой трудоемкой и длительной являются операции электроэрозионного прошивания межлопаточных каналов в гранульной заготовке турбины. Трудоемкость данной операции доходит до 500 н/ч и длится более 30 календарных дней при полной загрузке низкопроизводительного дорогостоящего электроэрозионного оборудования с ЧПУ [5].После выполнения электроэрозионной обработки межлопаточных каналов образуется поверхностный измененный слой до 300 мкм, что негативно влияет на эксплуатационные характеристики детали и надежность ТНА в целом. Все это снижает уровень прогнозируемой разработчиком технологичности в разы. Применительно к новым изделиям ситуация с механизированными технологиями отделки и упрочнения поверхностей роторных деталей по степени научного обоснования и оснащенности не обеспечивает требуемых параметров качества и не способствует повышению их производственной технологичности. Остаются актуальными задачи выбора технологии получения заготовок детали и теоретического описания оптимальной последовательности и правил применения операций сквозного технологического процесса отделочной обработки цельных турбин для формирования требуемого физико-механического состояния поверхности при минимизации затрат. Решение этих научно-технических вопросов предлагается на основе обоснованной методики оценки и рационального проблемно-ориентированного повышения производственной технологичности лопаточных деталей выбором средств и режимов формообразования поверхностей межлопаточных каналов по конструктивно-технологическим признакам. Целью работы является выбор оптимальной технологии изготовления, разработка теоретических основ и методики оценки и рационального проблемно-ориентированного повышения производственной технологичности роторных деталей выбором средств формообразования поверхностей по конструктивно-технологическим признакам. Задачи:Обосновать процесс выбора оптимальной последовательности и правил применения операций сквозного технологического процесса отделочной обработки гранульных заготовок цельных турбин для формирования требуемого физико-механического состояния поверхности труднообрабатываемого материала при минимизации затрат и при заданном уровне качества.Установить область влияния технологических параметров и режимов процесса комплексного последовательного воздействия различных способов получения заготовки на стабильность показателей качества согласно технической документации. По результатам экспериментальных сравнительных исследований процессов снижения шероховатости и упрочнения установить максимально производительные технологические операции обработки для различных роторных деталей, значительно разнящихся по конструктивно-технологическим признакам. Сформулировать регламент выбора наиболее технологичных отделочно-упрочняющих операций комбинированного технологического процесса обработки гранульных заготовок в соответствии с особенностями геометрии роторных деталей и требований к качеству их обработки.Решение этих задач позволит теоретически и методически обосновать порядок оценки и рационального проблемно-ориентированного повышения производственной технологичности роторных деталей путем выбора методов и средств обработки по конструктивно-технологическим признакам [6, 7]. Результаты исследований дополнят достигнутый задел в области научно обоснованных методов и средств повышения производственной технологичности при изготовлении роторных деталей высокой конструктивно-технологической сложности.   Уже достаточно давно известна технология криогенной обработки сталей, применение которой способствует увеличению их твёрдости, износостойкости и прочности, в связи с чем, исследования влияния низких температур на свойства металлов представляют важное значение в контексте современных технологий и инженерных применений [1]. Одним из ключевых аспектов, требующих углублённого рассмотрения, является сдвиг ниже нуля точки окончания мартенситного превращения у легированных и высокоуглеродистых сталей после возвращения к нормальным эксплуатационным условиям. Следует отметить, что повышенное содержание углерода может быть обусловлено как процессом цементации, так и легированием сталей. Процентное содержание углерода и легирующих элементов напрямую влияет на температурные параметры закалки: увеличение содержания углерода выше 1 % и легирующих элементов может привести к снижению температуры около 25-45 °C на каждый процент содержания добавок [1, 2]. Следовательно, определение оптимального баланса между углеродом и легирующими элементами имеет существенное значение для процессов термической обработки металлов. Некоторые виды сталей могут обладать способностью претерпевать полное превращение аустенита в мартенсит при экстремально низких температурах, что также требует дополнительного изучения и понимания механизмов происходящих процессов.Исследования по воздействию низких температур на металлы имеют значимость не только на практическом уровне, но и в рамках теоретических исследований [2-4]. Глубокое понимание изменений в структуре и свойствах металлов при экстремальных температурах позволяет разрабатывать новые технологии обработки материалов, уникальные сплавы с улучшенными механическими и физическими характеристиками. Дополнительно, анализ воздействия низких температур на металлы актуален в контексте разработки материалов для применения в космической и авиационной индустрии, где металлы подвергаются экстремальным условиям окружающей среды [5-7]. Поэтому системное изучение поведения металлов при низких температурах имеет стратегическое значение для создания высокопрочных и надёжных материалов для различных отраслей промышленности.Таким образом, исследование фазового состава металлов в криогенном диапазоне температур становится актуальной задачей. 2 Материалы и методы  Объектами исследования являлись комплексные технологические процессы комбинированной отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей роторной группы.Предметом исследования явились технологии обработки гранульных заготовок из труднообрабатываемых сплавов в условиях разной степени доступности обрабатываемых поверхностей сложного профиля и проблемно-ориентированное повышение технологичности производства с учетом конструктивных особенностей основных агрегатов двигательных энергоустановок.Для решения поставленной задачи оптимизирован способ комбинированной обработки внутренних поверхностей деталей токопроводя­щими микрогранулами с наложением низковольтного электрического поля в условиях использования газожидкостной слабопроводящей среды [8, 9]. Предложенный способ, апробированный на прерывистых конструктивных элементах с отверстиями и пазами [10], позволяет организова­ть в протяженном отверстии поток постоянно и равномерно (не менее 95 % сплошности покрытия) воздействующего поэтапно на все участки поверхности, создавая равномерный наклеп, выравнивая и снижая технологически наследованную шероховатость за счет интенсивного анодного рас­творения сдеформированных и уплотненных микрогранулами вершин микровыступов. Последнее позволяет обеспечить стабильность силовых и электрохимических параметров комбинированного воздействия микрогранул на всей длине про­точной части деталей. На рис. 1 показаны основные стадии этого способа комбинированной обработки микрошариками.  1 – деталь; 2 – микрошарики; 3 – токопроводящая газожидкостная среда; 4 – направление движения микрошариков; 5 – жидкостная пленка; 6 – микровыступыРисунок 1 – Схема и этапы способа комбинированной обработки микрошариками Предлагаемое решение направлено на получение равномерной степени наклепа и устранения микротрещин по всей обрабатываемой поверхности. Это достигается тем, что обработка поверхностей по предлагаемому спо­собу заключается в подаче на обрабатываемые поверхности сжатым воздухом потока микрошариков, и процесс обработки проводят в газожидкостной слабо­проводящей среде с наложением низковольтного электрического поля. На рис. 1, а показана нестабильность исходного макрорельефа поверхности. Микротрещины в поверхностном слое могут выходить на поверхность или оставаться замкнутыми в материале подповерхностного слоя и выходить на поверхность в процессе эксплуатации изделия под действием знакопеременных нагрузок из-за пульсаций давления рабочего тела. Внутренние рабочие поверхности, особенно длинномерных деталей, имеют в большинстве случаев различные пазы и полости, недопустимые уступы, трещины и погрешности формы, выходящие зачастую за допуски на номинальные размеры, что в случаях гидродинамического, абразив­ного трения, знакопеременных нагрузок в водородосодержащих средах резко снижают работоспособность дорогостоящего в изготовлении и эксплуатации оборудования.Формирование благоприятного для различного рода эксплуатационных свойств поверхностного слоя проходит в несколько этапов. Во-первых, на ис­ходную дефектную поверхность 1 (рис. 1, б) с направлением к ней 4 под углом не более 60° подают микрошарики 2 более крупной фракции (150-200 мкм), кото­рые за счет деформационного сдвига перераспределяют выступы и впадины и залечивают микродефекты. Наличие жидкостной токопроводящей среды 3 образует постоянно обновляющуюся пленку жидкости и препятствует перегреву мест соударений гранул с поверхностью и образованию остаточных напряжений растяжения, а также ускоряет процесс за счет явления анодного растворения материала. Затем, подают более мелкую фракцию микро­шариков 2 (до 50 мкм), которые окончательно выравнивает микроповерхность (рис. 1, в). Выравнивание микрогеометрии значительно зависит от скорости анод­ного растворения в месте микровыступа 6, которая в момент контакта шарика с деталью через жидкостную токопроводящую пленку 5 резко увеличива­ется из-за повышения удельной проводимости в месте соударения, и тогда время обработки составляет не более 15 с на участок пятна распыла. 3 Результаты исследований При моделировании процесса принимаются исход­ные данные: физико-механические свойства материала микрогранул и детали; радиус кривизны (диаметр) обрабатываемого отверстия; исходная и требуемая величина наклепа поверхностного слоя и вы­сота микронеровностей. Граничными условиями являются: предельно достижимые значения на­клепа или высоты неровностей после обра­ботки в условиях экранирования среды; предельные значения давления в потоке обрабатывающей среды, определяемые расходом сжатого воздуха и концентрацией микрогранул. Основным показателем импульсного механического воз­действия на поверхность является скорость ее деформации. Параметры оптимизации процесса − расход обрабатывающей среды и скорость деформирования микровыступов обрабатываемой поверхности. Учитывая при определении скорости смеси микрошариков, воздуха или жидкости на основе известных законов гидродинамики скорость истечения газожидкостной смеси через сопла под давлением можно представить в следующем виде.Для твёрдых сферических частицах радиусом описанной окружности R, падающих на поверх­ность детали со средней скоростью Vср , средняя скорость ее деформации составляет V/R. Средняя скорость потока гранул с газожидкостной средой:                                                Vср = kжkмкшQ/ (Fс ∙ 3600),                                                     (1) где Q – расход сжатого воздуха, м3/ч; Fс – площадь поперечного сечения отверстия сопла, м2; kж – коэффициент, учитывающий влияние подмешиваемой в поток на выходе из сопла жидкости (kж  = 0,95-0,97); kмкш – коэффициент, экспериментально учитывающий влияние расхода склонных к слипанию микрошариков через дозатор (kмкш = 0,7-0,85) на скорость потока обрабатывающей среды.Уравнение движения в процессе контактирования:                                                                                                               (2) где R – радиус частицы, мм; Ra – радиус вмятины, мм, ρ – плотность материала детали, кг/м3;`P − среднее давление в зоне контакта, Па. Полная пластичность насту­пает при значениях `P = 3sТ.Среднее давление P, оказывающее сопротивление движению, при со­от­ношении   параметра деформации E/σТR £ 36, обеспечивает получение вмя­тины размером 0,004R для сталей, где отношение модуля текучести к модулю упругости σТ/E = 0,0024, что установлено экспериментально. С учетом (2) после интегрирования при условии `р = 3sТ                                           1/Ω=0,2+29lnE/σТ+19ln2Z/R-4ZR12,                                 (3) где W - коэффи­циент, учитывающий степень предварительной деформации поверхности,`Zпр. Это уравнение описывает начальную стадию деформирования, как только величина давления возрастет до 3σТ, для дальнейших расчетов сле­дует пользо­ваться эмпирическими зависимостями для более многогранных условий при обработке труднообрабатываемых материалов. У микрошарика диаметром 300-100 мм есть в этом смысле ограничения по массе, к тому же ему необходимо присутствие жидкости от перегрева поверхности и удаления продуктов работы. Уравнение движения микрошариков с учетом экспериментальных исследований:                                                K = МV 2 / 2 – Fcв –Fтр – g ∙ cosβ,                                           (4) где М − масса шарика, кг; V − скорость вылета, м/с; Fcв – сила сопротивления воздуха среды, Н; Fтр – сила трения в потоке, Н; g∙cosβ − гравитационная составляющая, величина переменная, зависящая от массы шарика.В итоге микрошарик при встрече с поверхностью достигал скорость только10-12 м/с от требуемых 80-100 м/с, так что не удавалось разрушить образовавшуюся на поверхности окисную пленку и продолжить процесс деформирования. Соединение потока мирошариков с газожидкостным потоком при наложении тока низкого напряжения позволило сразу повысить скорость шариков при контакте до 30-40 м/с по нескольким причинам:снизилось на 14 % трение в потоке из-за уменьшения его плотности на 30 %;газовая среда, обладающая определенной (не более 1-1,15 % от g∙cosβ) несущей способностью в потоке пара, тоже вложила свою долю;микрошарик начинает пробивать окисную пленку, которая частично разрушается анодным низковольтным растворением.Если принять в качестве исходной информации высоту микронеровно­стей до обработки, а граничными условиями – время действия анодного растворения при постоянной механической депассивации поверхности, то процесс съема неровностей с учетом известных выражений за единичный импульс контакта микрошариков в эффективном пятне распыла имеет вид:                            (Δ1 + Δ2) = Δ0 – Кгж (a/g)·h·jср·tи,                                               (5) где a – электрохимический эквивалент материала заготовки, кг/Кл; g – удельная плотность материала заготовки, кг/м3; jср – средняя за импульс плотность тока, А/м2; tк – длительность токопроводящего контакта при соударении, с; h – коэффициент выхода по току; Кгж - концентрация жидкостной составляющей газожидкостной токопроводящей среды (по данным экспериментов 10-20 %).Ток J в разряде, как известно, может достигать 100 А, площадь контактного действия F на первом этапе составляет всего 0,05-0,1 мм2, а диаметр пятна распыла достигает 30 мм. Тогда средняя плотность тока со­ставляет jср = 0,3J/F, а плотность микрошариков в потоке – 20-30 %. Длительность токопроводящего контакта рассчитывается по зависимости:  tк=Kгжrзагχμ⋅f,                                                                     (6) где rзаг – радиус зоны обработки в заготовке (до 15 мм); m - коэффициент Пуассона; f – постоянная частота соударений шариков с поверхностью.На втором этапе площадь контакта гранулы с поверхностью заготовки составляет всего 0,02-0,05 мм2. Расчет времени контакта позволяет получить несколько приближенные результаты, а прямые изме­рения, приведенные дают tк  = 0,3-0,6 мкс. Скорость съема вершин микронеровностей зависит от анодного растворения при наклепе, которая может быть откорректирована полученными экспериментально коэффициентом, учитывающим анодное растворение, Kар = 1,05-1,15 и коэффициен­том механического удаления неровностей Kму = 1,1-1,2. С учетом этого время выравнивания микрогеометрии в месте соударения составит: tв≤tкN=Kгжδпл(Δ0-Δ1-Δ2)αγηχUКаРКму,                                                         (6) где dпл – толщина окисной пленки в зоне контакта, мм; N – количество соударений шариков до полного насыщения поверхностного слоя пластическим деформированием.Длительность обработки tуч участка одного распыла с учетом значений F составит:                                           tуч =tКpR2F=Kгж πR2δпл(Δ0-Δ1-Δ2)FαγηχUКаРКму⋅N,                                           (7) При соударении шариков с заготовкой известно, что когда разру­шается окисная пленка и происходит небольшое анодное растворе­ние контактной поверхности, то дальнейшее выравнивание микропрофиля поверхности микрошариками происходит в основном за счет динамического давления микрошариков на поверхность, определяемое нами под углом соударения α с поверхностью зависимостью:                              `р = (3sт +s ++ sхроп) α,                                                           (8) где sт – предел текучести материала, МПа; s +– растягивающие напряжения от предыдущих этапов обработки (70-90 МПа). sхроп – напряжение хрупкого разрушения окисных пленок после воздействия анодного растворения (до 40-50 % от`р).Съем материала за 1 импульс тока (в промежутке между соударениями) на последнем этапе незначителен и составляет доли микрометра. Анодное воздействие в данном случае должно только удалять продукты деформационного воздействия и корректироваться напряжением U0 в пределах 2-5 В.Расчет технологических ре­жимов комбинированной об­работки: 1. Выбор диаметра микрошариков: dш = 2Rв пр = Ra 2/hy, мм,                                                            (9) где Rв пр – вписанный в лунку и приведенный к среднему диаметру радиуса пластического отпечатка, мм; Ra – радиуса пластического отпечатка в горизонтальной плоскости, мм; hy – глубина пластического отпечатка, мм.Полученный результат после опытной обработки на имитаторе и сравнения с аналитическими расчетами округляют до стандартного значения. Если расчетное значение превышает размеры шариков, разделенных на фракции в вибрационном сите, то их величину берут с учетом имеющихся типоразмеров шариков.2. Из технической документации на деталь устанавливаются требования по степени наклепа и шероховатости отверстия. 3. Если шероховатость заготовки отвечает требованиям чертежа, то расчет режимов ведут по заданному наклепу.3. Если требуется снизить шероховатость от Δ2 до RZmin, то припуск Z составит Δ2 до RZmin и минимальное время обработки элементного участка ведут по (6) и (7).4. Общее время обработки рассчитываем по формуле:                                                       tобщ = πDn /d,                                                             (10) где D − диаметр отверстия, мм; n − число оборотов детали с оснасткой, об/мин-1; d − эффективное ядро распыла микрошариков, связанное с D. 4 Обсуждение и заключение Предложены оптимальные режимы комбинированной обработки, включающие ме­ханическое воздействие и анодное растворение, что обес­печивает требуемые технологические показа­тели процесса. Оптимизированные режимы комбинированной доводки: напряжение источника питания - 5-10 В; время обработки каждого участка поверхности – 60 с; угол соударения потока микрошариков с поверхностью a = 60° ±  5°; диаметр сопла – 10 мм; скорость вращения шпинделя установки - 20-60 мин-1;давление сжатого воздуха в струйном аппарате – 0,2-0,4 МПа; инструмент – металлические микрогранулы сферической формы диаметром 50–150 мкм в газожидкостной токопроводящей среде с использованием промыш­ленной воды; расход газожидкостной слабопроводящей среды – 2 м3/мин.Достигнутые технологические показатели: для легированных сталей Rа = 0,16-0,32 мкм, разброс по степени наклепа ±3 %; для заготовок из жаропрочных сплавов Rа = 0,16-0,25 мкм, разброс по сте­пени на­клепа ±3 %. Достигнутые показатели улучшают результаты, получае­мые ранее. Испытания нагруженных деталей в условиях экс­плуатации показали положительные результаты, что подтвердило правомер­ность ре­зультатов исследований, приведенных в работе.