автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование технологического процесса изготовления штампованных заготовок крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с использованием операции горячей закрутки пера

На правах рукописи ии^4Ь748Э

Ильин Игорь Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВАННЫХ ЗАГОТОВОК КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШИРОКОХОРДНЫХ ЛОПАТОК ГТД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРАЦИИ ГОРЯЧЕЙ ЗАКРУТКИ ПЕРА

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Рыбинск - 2008

003457489

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьёва»

Научный руководитель:

доктор технических наук, Матвеев Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Семёнов Евгений Иванович доктор технических наук, профессор

Уваров Лев Борисович

Ведущая организация: ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (г. Уфа)

Защита состоится 24 декабря 2008 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьёва» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьёва»

53.

Автореферат разослан «/9» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Б. М.

Актуальность темы. В современных конструкциях вентиляторов авиационных двигателей широкое применение находят крупногабаритные широко-хордные лопатки, позволяющие существенно повысить аэродинамические характеристики вентилятора, увеличить тягу и в целом повысить эффективность газотурбинного двигателя (ГТД).

Производство лопаток данного класса по традиционным технологиям, включающим в себя изготовление штамповкой заготовки лопатки с закруткой профиля пера и припусками по перу и замку, с последующим удалением припусков обработкой резанием, электрофизическими и иными методами, отличается значительной трудоёмкостью и металлоёмкостью. Для повышения рентабельности производства авиационных двигателей, снижения трудоёмкости производства крупногабаритных лопаток ГТД на ОАО «НПО «Сатурн» предложен новый метод построения технологических процессов их изготовления, сущность которого заключается в изготовлении штамповки лопатки без закрутки пера, удалении основного припуска и выполнении горячей закрутки сечений пера с последующими операциями изотермической термофиксирующей калибровки и отделочными операциями рабочих поверхностей лопатки.

Однако имеющиеся отдельные экспериментальные материалы по применению закрутки пера, как вспомогательной доводочной операции при изготовлении лопаток, не позволяют разработать научно обоснованные рекомендации для проектирования технологических процессов производства штампованных заготовок лопаток с использованием горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции. Также, практически не изучено влияние процесса горячей закрутки на служебные характеристики лопаток. Разработка методики проектирования технологических процессов и оборудования для производства крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с применением горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции, является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности производства крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД посредством разработки теоретических основ операции горячей закрутки пера лопаток и ее применении в технологическом процессе изготовления штампованных заготовок.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать математическую модель горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине.

2. Разработать методику обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для анализа деформированного состояния лопаток ГТД при горячей закрутке пера.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса горячей закрутки пера лопатки ГТД с аэродинамическими, переменными по длине сечениями, выполнить анализ деформированного состояния образцов и определить основные энергосиловые параметры реализации процесса.

4. Провести металлургические исследования для определения влияния технологических факторов горячей закрутки пера на служебные характеристики и свойства лопаток.

5. На основе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, разработать технологические схемы процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с применением горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции.

6. Разработать технические требования и принципиальные схемы оборудования для реализации процесса горячей закрутки пера лопаток ГТД.

Методы исследований и достоверность результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием энергетического метода (метода баланса мощностей). Экспериментальные исследования проводились на основе теории инженерного эксперимента с проверкой адекватности теоретических зависимостей реальным процессам деформирования. Результаты экспериментов обрабатывались методом наименьших квадратов. Относительная погрешность результатов расчетов и экспериментов, по определению силовых параметров процесса, не превышает 20%. Обоснованность и достоверность полученных результатов, научных положений и выводов обеспечиваются: использованием фундаментальных положений теории упругости и пластичности, обработки металлов давлением, сопротивления материалов, теоретической механики, статистической обработкой экспериментальных данных, удовлетворительным совпадением результатов расчета и экспериментальных исследований, а также совпадением с результатами численного моделирования методом конечных элементов.

Автор защищает:

- основные уравнения и соотношения, необходимые для расчета силовых параметров при горячей закрутке стержней с аэродинамическими, переменными по длине сечениями;

- методику обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для определения деформированного состояния при закрутке стержней с сечениями аэродинамического профиля;

- разработанные, на базе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, технологические схемы процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД, с использованием горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции;

- разработанные принципиальные схемы установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы процесса горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине:

- получены основные уравнения и соотношения, необходимые для расчета силовых параметров при горячей закрутке пера лопаток ГТД;

- разработана методика обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для определения деформированного состояния при закрутке пера лопаток ГТД.

Практическая ценность. На основе выполненных экспериментальных и металлургических исследований, проводимых на образцах-лопатках из титанового сплава ВТ6, установлено, что введение в технологический процесс изготовления штампованных заготовок операции горячей закрутки пера, не ухудшает служебные характеристики и свойства лопаток.

Разработанная прикладная программа для расчета деформаций по методу делительных сеток в условии решения пространственной задачи (операции закрутки) позволяет существенно снизить трудоемкость обработки экспериментальных данных.

Для предприятий авиадвигателестроительной отрасли, в зависимости от уровня развития кузнечно-штамповочного производства, предлагаются две технологические схемы изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД, позволяющие существенно снизить трудоемкость производства лопаток данного класса.

Разработанные принципиальные схемы установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД, могут служить основой для создания полупромышленного оборудования.

Реализация работы. Теоретические исследования по определению силовых параметров процесса горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, использованы при проектировании установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД на ОАО «НПО «Сатурн». Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 120400 «Машины и технология обработки" металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Ковка и объемная штамповка», «Технология обработки авиационных материалов», «Специальные способы штамповки авиационных материалов».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на Международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (Жуковский, 2007 г.); на IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007 г.); на научно-практической конференции, посвященной 50-летию основания кафедры «Авиационные двигатели» «Актуальные проблемы двигателестроения» (Рыбинск, 2007 г.), на IV Всероссийской ежегодной научно-технической конференции молодых специалистов, посвященная 83-й годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2008).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 1 статье в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК; 1 заявке на изобретение; 1 статье материалов Международного молодежного форума; 1 статье сборника трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов; 1 тезисе доклада Всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований и трех приложений, изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 100 формул, 10 таблиц, 117 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна и практическая ценность, а также положения, выносимые автором на защиту.

Первая глава носит реферативный характер. В ней выполнен анализ существующих технологических процессов производства крупногабаритных лопаток ГТД, выявлены их существенные недостатки. Так, при традиционном изготовлении заготовки-штамповки, имеющей значительный по величине угол закрутки концевого сечения пера лопатки относительно прикомлевого, возникают значительные по величине неуравновешенные сдвигающие силы между элементами штампа, отрицательно влияющие как на точность изготавливаемой штамповки, так и на равномерность распределения припуска по перу лопатки. Недостатком являются также и сравнительно большие габариты самих штампов. Гравюры матрицы и пуансона имеют сложный пространственный профиль большой глубины, что отрицательно сказывается как на стойкости таких штампов, так и на технологичности их производства. При последующем удалении припуска по перу лопатки, например фрезерованием, выполненная на штамповке закрутка профиля пера лимитирует диаметр, а, следовательно, и жёсткость используемых концевых или дисковых фрез, не позволяя существенно увеличить режимы резания и, кроме того, в подавляющем числе случаев, требует использования пятикоординатных фрезерных станков.

Для устранения отмеченных недостатков, в открытом акционерном обществе "Научно-производственное объединение "Сатурн" предложен новый способ построения технологических процессов изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с использованием горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции при изготовлении заготовки-штамповки (патент РФ № 2257277). Суть способа заключается в том, что на первом этапе проектирования технологического процесса перерабатывают конструкторский чертеж лопатки, раскручивая и раздвигая между собою расчетные сечения пера, «укладывая» при этом хорды раскручиваемых сечений в одной плоскости. Полученный модифицированный чертеж лопатки является основой для проектирования заготовки-штамповки. Заготовка-штамповка, имеющая раскрученный профиль пера, изготавливается методами объёмной штамповки с припуском по перу и замку под дальнейшую обработку резанием. После удаления чернового припуска, например фрезерованием, выполняют закрутку профиля пера в горячем состоянии с привлечением специальных устройств. В последствии, изготовленная таким способом заготовка, подвергается всем традиционным стадиям технологического процесса изготовления лопатки.

Однако, внедрение данного способа построения технологических процессов в производство сдерживается отсутствием рекомендаций и руководящих технических материалов (РТМ) по расчету процесса горячей закрутки пера лопатки, как базовой формообразующей операции при изготовлении заготовки-штамповки, что в свою очередь обусловлено отсутствием теоретических основ по горячей закрутке стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине.

Анализ существующих математических моделей определения силовых

параметров при скручивании ограничен рассмотрением стержней с элементарными геометрическими сечениями (круг, эллипс, квадрат, прямоугольник). Определение силовых параметров при закрутке стержней, с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, с привлечением известных решений проблематично.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процессов закрутки пера лопаток ГТД, основной целью которых, является определение энергосиловых параметров скручивания стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, за пределом упругости.

Большинство из существующих решений задачи кручения стержней с различными поперечными сечениями выполнено методом, получившим название «анализ кручения по Сен-Венану». Суть метода заключается в нахождении функции напряжений у, обращающейся в ноль на контуре сечения и, удовлетворяющую граничным условиям уравнения Пуассона. Крутящий момент М, необходимый для пластической закрутки стержня произвольного поперечного сечения, может быть представлен в виде

М = 2\\цкк<1у, (1)

при этом функция напряжения у должна удовлетворять следующим граничным условиям:

\2 Г л \2 2

дуЛ (др

ах) (ду

на контуре поперечного сечения

дш дц/ ,

—ах +—ау = О или \у=сопз1.

дх ду

(2)

Обычно для определения функции у используют уравнение, описывающее профиль сечения скручиваемого стержня. Однако, для сечений аэродинамического профиля, нахождение такого уравнения затруднено сложностью математического описания его геометрии. Сказывается еще и широкий диапазон форм и размеров сечений, в зависимости от конструкции и назначения конкретной лопатки. В последнее время, профиль лопаток компрессора принято описывать четырьмя кривыми Безье третьего порядка: первая кривая описывает геометрию спинки, вторая - корыта, третья и четвертая, соответственно, - входную и выходную кромки. Параметрическое уравнение кривой Безье третьего порядка имеет виде:

и (о = (1 - о3 +- О2 А + з/2(1 - ¡)л2 + РА3 , (3)

где А0 з - коэффициенты корреляции, определяющие расположение опорных точек.

Тогда уравнением, описывающим сечение лопатки ГТД, может служить выражение вида:

I

Р(1) = Ъи,«), где М. (4)

Искомая функция напряжения у будет определена как:

^ = с-7?(0 = с-21/,(0. (5)

где с - константа, подлежащая определеншо. Однако, после подстановки функции напряжения у в уравнения граничных условий (2), константу с в явном виде не определить.

При этом, с учетом (5), уравнение (1) запишется как:

/

М = 2Ц^у = 2Цс-1и1{1)(кф1 (6)

при следующих граничных условиях:

1=0 ¡=0

1=0

на контуре сечения:

3;

г!(и - г)!

I// = 0.

(1 -о""1*';

(7)

Таким образом, для сечений сложной аэродинамической формы, задача Сен-Венана не имеет решения в замкнутой форме, и для определения силовых параметров, при кручения стержней, с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, использован энергетический метод, а именно метод баланса мощностей внешних и внутренних сил. При этом разработана идеализированная модель и расчетная схема процесса закрутки пера лопатки, по которой перо лопатки условно представлялось как тело, состоящее из множества жестких недеформируемых блоков, бесконечно малой толщины, выделенных параллельными секущими плоскостями, нормальными к оси лопатки. Каждый жесткий блок имеет лишь одну степень свободы - окружное перемещение относительно соседних блоков.

Для определения силовых параметров процесса закрутки, на первом этапе

рассмотрена закрутка двух соседних блоков (рис. 1) при следующих допущениях:

- материал лопатки идеально жесткопла-стичен;

- площадь сечения каждого ¿-го блока состоит из сумм площадей правой и левой частей сечения. Границей, разделяющей сечение на части, служат отрезки прямых наименьшей длины, проведенные из центра тяжести (оси вращения) к контуру сечения;

- площади сечений двух соседних блоков имеют бесконечно малое различие и принимаются равными;

закон распределения линейных скоростей каждой материальной точки двух соседних блоков соответствует перемещениям этих точек и принимается линейным;

Рис. 1. Расчётная схема (а) и годографы скоростей (б), (в) процесса скручивания соседних, бесконечно тонких сечений пера лопатки ГТД

- линейные скорости смещения двух соседних блоков имеют бесконечно малое различие и принимаются равными, векторы этих скоростей наклонены друг относительно друга на угол (1(р;

- усредненная линейная скорость смещения каждого блока определяется эпюрой скоростей и принимается равной произведению угловой скорости на 2/3 расстояния от оси вращения (центра тяжести блока) до крайней точки сечения блока.

На основании принятых допущений, используя равенство мощностей внешних и внутренних сил, приложенных к телу на кинематически возможных скоростях, получено выражение для расчета потребного крутящего момента при скручивании двух соседних сечений на угол ¿ер:

М =

2л/3

(8)

где ст5 - напряжение текучести материала, зависящее от температуры и скорости деформации, Па; 51л и 8П - площади, соответственно, левой и правой частей сечения блока, м2; / и т - расстояния от центра тяжести блока до усреднённой скорости смещения, соответственно, левой и правой частей сечения блока, м.

Момент, определенный по формуле (8) следует понимать как удельный, то есть отнесенный к единице длины стержня.

При анализе кручения двух блоков, расположенных на расстоянии Н друг

от друга (рис. 2), введено понятие относительного угла закрутки Р (рад/м), который характеризует «отставание» угла закрутки ф каждого 1-го сечения по длине Н. Для стержня постоянного сечения:

(9)

При замене угла <р на угол р, выражение (8) имеет вид:

2л/3-Н

Для учета анизотропии материала и неравномерности распределения температурного поля по объему лопатки и иных факторов, в выражение (10) вводится коэффициент ,05... ], 1.

Для учета плавно переменного характера изменения площадей сечений по длине пера лопатки, в выражение (10) вводится коэффициент который выбирается из эпюры изменения площадей сечений по длине Н и принимается равным ее средней ординате.

С учетом выше изложенного, при 1=2Ь/3 и т=2а/3, выражение (10) имеет

вид:

Рис. 2. Расчётная схема процесса скручивания двух сечений пера лопатки газотурбинного двигателя, расположенных на расстоянии Н

м =

1 1

(Н)

9л/3•#•/

где 8Лб и 8„б - площади, соответственно, левой и правой частей базового (защемленного) сечения, м2; Ь и а - расстояния от оси вращения (центра тяжести) до крайней точки, соответственно, левой и правой частей базового (защемленного) сечения, м.

Для определения степени адекватности разработанной математической модели, выполнены экспериментальные исследования деформированного состояния скрученных образцов-лопаток. Для определения деформированного состояния образцов использован метод делительных (координатных) сеток. Для обработки экспериментальных данных разработана методика обработки пространственных координатных сеток. Суть данной методики заключается в определении линейных и сдвиговых деформаций граней и ячеек сетки, исходя из известных положений координат узлов каждой ячейки исходной и деформированной делительных сеток в трехмерном декартовом пространстве.

В виду того, что обработка результатов эксперимента по методу делительных сеток носит длительный, трудоемкий характер, связанный с большим количеством вычислений, для автоматизации расчетов разработана компьютерная программа, позволяющая существенно сократить время на обработку экспериментальных данных.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований процессов закрутки на натурных образцах и конечно-элементных моделях в пакете программ АИБУБ. В качестве образцов использованы: для холодной закрутки - пластины с размерами 180x80x3мм из меди М1; для горячей закрутки - заготовки лопаток ГТД, лишенные закрутки по перу, изготовленные из титанового сплава ВТ6. Длина пера лопаток 130 мм, максимальная ширина пера 45,5 мм, максимальная толщина пера 2,55 мм.

Скручивание пластин осуществлялось при комнатной температуре на фиксированный угол в специальном приспособлении (рис. 3), с использованием токарного станка. Закрутке были подвергнуты 7 пластин, четыре из которых закручивались, соответственно, на углы 12°, 24°, 36°, 48°, а три - на угол 60° (рис. 4).

Рис.3. Приспособление с закрученной Рис. 4. Внешний вид образцов после закрутки: медной пластиной а) - угол закрутки 12°; б) - 24°;

в) - 36°; г) - 48°; д) - 60°

Горячая закрутка лопаток проводилась температуре 900°С на угол 60° в специальном приспособлении, изготовленном из жаропрочного сплава ВЖ159 (рис. 5). Закрутке были подвергнуты 3 лопатки (рис. 6). Для предотвращения образования альфированного слоя, на поверхности лопаток перед нагревом

наносилось защитное покрытие на основе нитрида бора.

Рис. 5. Общий вид приспособления с Рис. 6. Общий вид образцов-

лакоепленной лопаткой лопаток после горячей закрутки

Одной из основных задач экспериментальных исследований являлось определение степени соответствия предложенной математической модели по определению силовых параметров процесса, экспериментальным данным, а также, установление степени адекватности применения блочной модели скручивания стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, при расчете потребных нагрузок.

В ходе экспериментов, с использованием тарированного ключа, фиксировались величины крутящих моментов, необходимых для закрутки образцов, которые затем сравнивались с аналитическими. Замер крутящего момента проводился при закрутке семи образцов-пластин, скручиваемых на различные углы, и трех образцов-лопаток, концевые сечения которых скручивались относительно замка на угол 60°.

При этом установлено, что разработанная блочная модель скручивания заготовок, для определения силовых параметров процесса обеспечивает удовлетворительную сходимость с экспериментом, относительная погрешность аналитических и экспериментальных данных не превышает 20%.

Величины силовых параметров, определенные при виртуальной закрутке конечно-элементных моделей пластины и лопатки в пакете программ находятся в интервале аналитических и экспериментальных значений. Относительная погрешность значений крутящего момента, полученных при численном моделировании, в сравнении с аналитическими и экспериментальными данными, не превышает 12%.

Для анализа деформированного состояния скрученных образцов, предварительно, на фронтачьную поверхность пластин, а также на корыто лопатки, наносилась делительная сетка. Определение относительных линейных и абсолютных сдвиговых деформаций выполнено по разработанной методике на основе метода делительных сеток. Применение данной методики возможно с использованием, например, системы оптического измерения АТОБ, позволяющей сканировать пространственные поверхности образцов для

Рис. 7. Оцифрованная поверхность скрученной пластины в графическом пакете ит^гарЫсз Ж

получения трехмерных моделей компьютере.

в графических пакетах на персональном

х

зона 3

зона 2 '

зона 1

В качестве исследуемых, были выбраны три характерные зоны: первая - вблизи жесткой заделки образца, вторая - в середине по длине образца; третья - вблизи места приложения нагрузки (рис. 7, 8). По результатам расчета в разработанной программе, построены графические зависимости составляющих линейных и сдвиговых деформаций. При этом, в отличие от оригинальной методики обработки данных по методу делительных сеток, деформация рассматривалась не для ячеек в целом, а для отдельных граней. Тогда, грани исходной сетки, параллельные оси X - оси закрутки (рис. 7, 8), после деформирования будут характеризовать изменение расстояния между двумя сечениями, а грани У,образующие эти сечения, - изменение ширины сечения.

Анализ полученных экспериментальных данных при исследовании деформированного состояния скрученных образцов, подтверждает применимость разработанной математической модели, характеризующей процесс закрутки, как сдвиг жесткопластических недеформируемых блоков. Максимальные линейные деформации в образцах зафиксированы в наиболее удаленных от оси закрутки материальных точках сечений и находятся в диапазоне 8% при закрутке относительно тонкой пластины и 3,5% - при закрутке пера лопатки ГТД. Основной вклад в формоизменение образца вносят деформации сдвига.

Численное

Рис. 8. Оцифрованная поверхность скрученной лопатки в графическом пакете иш^арЫсэ ЫХ

133

шв

Ш71

ED □

ЕЗ

о

3. 368 7. 135 10.703 14.271 17.Ё39 21.406 24.574 28.542 32. 11

Рис. 9. Внешний вид модели пластины после виртуальной закрутки (цветом показаны суммарные перемещения, мм)

Рис. 10. Внешний вид модели лопатки после виртуальной закрутки(цветом показаны суммарные перемещения, мм)

моделирование операции закрутки плоской пластины и заготовки лопатки, лишенной закрутки пера, в пакете программ ANS YS (рис. 9, 10) выявил схожий характер распределения линейных деформаций по ширине и длине образцов с данными, полученными экспериментальным путем, что позволяет сделать вывод о работоспособности программы ANSYS для анализа напряженно-деформированного состояния образцов при их закрутке. Таким образом, при схожем характере распределения деформаций по длине и ширине образцов, с достаточной точностью, можно оценить линейные деформации по толщинам пластины и пера лопатки ГТД, которые не удалось

определить при проведении натурного эксперимента. Результаты численного расчета линейной деформации по толщине сечений образцов также подтверждают принятые допущения при построении блочной математической модели. Максимальные линейные деформации находятся в диапазоне: для относительно тонкой пластины - 4,5%, для пера лопатки ГТД -1,5%.

В четвертой главе приведены результаты металлографических исследований образцов-лопаток после проведения операции горячей закрутки, пера: макро- и микроструктуры, микротвердости характерных зон, а также' результаты усталостных испытаний скрученных лопаток для определения влияния горячей закрутки пера на предел выносливости лопатки (ст.)).

Макроструктура материала скрученных образцов-лопаток соответствует 1 баллу шкалы макроструктур титановых сплавов. Микроструктура материала равномерная и соответствует 2 баллу шкалы №1 микроструктур титановых сплавов по ОСТ190006-81. Измерение микротвердости НУ,- проведенное на темплетах, изготовленных из недеформированной и скрученной лопаток, показало, что введение в технологический процесс изготовления заготовки-штамповки операции горячей закрутки пера, не вызвало существенного изменения микротвердости НУ материала лопатки по периметру и толщине сечения. Диапазон изменения находится в сравнительно узком интервале, составляющем 35 НУ.

Результаты усталостных испытаний исходного и скрученного образцов-лопаток, позволяют сделать вывод об отсутствии факторов, снижающих прочностные характеристики лопаток, изготовленных по технологическому процессу производства штампованных заготовок, включающему операцию горячей закрутки пера. Уровень нагружения до образования усталостной трещины на исходном и деформированном образцах одинаков, и составлял 250 МПа. Однако, в связи с изменением геометрии пера лопатки при закрутке её на угол 60°, очевидно произошло изменение распределения полей динамических напряжений, что объясняет факт различного места расположения усталостной трещины. Так разрушение для недеформированного образца произошло по выходной кромке со стороны корыта в радиусе перехода пера в замок, а для скрученного - по спинке, в радиусе перевода пера в замок..Качество материала заготовок лопаток, прошедших усталостные испытания, удовлетворяет требованиям нормативно-технической документации.

Пятая глава посвящена разработке технологических схем процессов изготовления крупногабаритных широкохордных , лопаток ГТД с использованием горячей закрутки пера, как • базовой формообразующей операции при производстве штампованных заготовок, и схем оборудования для реализации операции горячей закрутки пера лопаток.

На базе проведенных- теоретических и экспериментальных исследований, для предприятий авиадвигателестроительной отрасли, в зависимости от уровня развития кузнечно-штамповочного производства, предлагаются две схемы построения технологических процессов изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД.

На рис. 11 приведена технологическая схема процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД из штампованной «раскрученной» заготовки лопатки с припуском по перу свыше 1,5 мм на сторону.

Модель «Раскрученная» Штамповка Механическая Горячая Изотермическая Финишная лопатки модель лопатки обработка баз, закрутка пера калибровка обработка

широкохордных лопаток ГТД

На рис. 12 приведена технологическая схема процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД из точной штампованной «раскрученной» заготовки лопатки, исключающая фрезерную обработку пера. Данная схема включает в себя следующие основные операции:

- отрезка мерной прутковой заготовки (а);

- горячая высадка торцевой зоны заготовки на ГКМ за 1.. .2 перехода (б);

- предварительная штамповка заготовки на электровинтовом прессе (в);

- предварительная изотермическая штамповка «раскрученной» заготовки на гидравлическом прессе (г);

- горячая обрезка облоя;

- обработка кромок;

- горячая закрутка профиля пера на установке закрутки (д);

- изотермическая калибровка заготовки лопатки с обеспечением припуска по профилю пера 0,2.. .0,8 мм на сторону (е);

Рис. 12. Технологическая последовательность изготовления широкохордной лопатки вентилятора с привлечением изотермической штамповки и операций закрутки профиля пера

- термообработка;

- изотермическая термофиксация;

- щёлочное и кислотное травления (для удаления окалины, альфированного слоя и выравнивания припуска по профилю пера);

- обработка резанием технологических баз, замка;

- безразмерная обработка пера на ленточно-шлифовальных, например на станках фирмы «МЕТАБО», со съёмом припуска 0,15...0,25 мм на сторону;

- полировка радиусов на входной и выходной кромках;

- дробеструйная и виброполировальная обработка профиля пера, например на станках фирмы «КОЗЬЕЙ.»;

- подготовка поверхности хвостовика под напыление путём сухой пескоструйной обработки, например на установке К8А V - 700 Н - 8000;

- плазменное напыление поверхности хвостовика, например на установке АЗОООБ.

Разработанные технологические схемы процесса изготовления широкохордных лопаток ГТД с использованием горячей закрутки пера, как

базовой формообразующей операции, позволяют значительно снизить, трудоёмкость и повысить рентабельность производства авиационных двигателей. Выполненный сравнительный технико-экономический анализ на примере технологической схемы изготовления широкохордной лопатки вентилятора газотурбинного двигателя SAM 146 показал, что снижение, трудоемкости производства заготовки-штамповки составляет более 10%. Снижение трудоемкости производства лопатки вентилятора из заготовки-штамповки по схеме технологического процесса, исключающего фрезерную обработку пера, составляет около 35 %.

Дополнительно в главе приведены разработанные принципиальные схемы установок для горячей закрутки профиля пера лопаток, позволяющие производить закрутку пера лопаток с различными линиями расположения центров масс сечений пера, которые могут служить основой для создания полупромышленного оборудования.

В приложениях приведены примеры ввода данных в программу по расчету линейных и сдвиговых деформаций, листинг программы, составленный в соответствии с правилами алгоритмического языка Delphi, а также пример вывода результатов расчета в виде текстового файла или таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для авиадвигателестроения, и состоящая в повышении эффективности изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток газотурбинных двигателей, посредством разработки теоретических основ горячей; закрутки пера, с целью ее применения в технологическом процессе изготовления штампованных заготовок лопаток, как базовой формообразующей операции.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработана математическая модель и выполнен анализ процесса закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине (лопаток ГТД) энергетическим методом, позволившие получить теоретическую зависимость величины крутящего момента от угла закрутки, с учётом плавно переменного характера распределения аэродинамических сечений по длине пера лопатки. При этом установлено, что величина крутящего момента, при прочих равных условиях^, возрастает с увеличением угла закрутки и площадей поперечных сечений пера лопатки и уменьшается с увеличением длины пера. ., ,)г

2. Анализ результатов экспериментальных данных и результатов численного моделирования в пакете программ ANSYS, полученных при холодной закрутке относительно тонкой пластины и горячей закрутке пера лопатки ГТД, подтверждает адекватность разработанной математической модели, характеризующей процесс закрутки, как сдвиг жесткопластических недеформируемых блоков.

3. Сравнение результатов расчета величины потребного крутящего момента при закрутке образцов по разработанной математической модели с результатами численного моделирования в пакете программ ANSYS и экспериментальными данными, позволяет сделать вывод об удовлетворительном соответствии теоретических и экспериментальных данных прй:поГрешно-

сти менее 20 %.

4. Выполненные сравнительные металлографические исследования микро- и макроструктуры материала лопаток, а также экспериментальные исследования по определению предела выносливости заготовок лопаток до и после проведения операции горячей закрутки пера, показали, что введение в технологический процесс производства лопаток ГТД операции горячей закрутки пера не ухудшает служебные характеристики и свойства материала лопаток.

5. На базе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, разработаны технологические схемы процесса изготовления широкохордных лопаток ГТД, позволяющие значительно снизить трудоёмкость изготовления лопаток данного класса.

6. Разработанные принципиальные схемы установок для горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД, могут служить основой для создания полупромышленного оборудования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ

1 Матвеев, A.C. Метод проектирования и технологический процесс изготовления широкохордных лопаток газотурбинных двигателей [Текст] / A.C. Матвеев, Г.И. Зубарев, В.В. Андреев, И.В. Ильин // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2006. - №9. - С.10-14.

2 Заявка № 2007122882 Российская Федерация, МПК8 В21 D53/00; Устройство для закрутки детали [Текст] / Матвеев A.C., Андреев В.В.; Волков В.Н.; Ильин И.В.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн"; заявл. 18.06.2007.

3 Ильин, И.В. Разработка метода и технологических процессов изготовления широкохордных лопаток ГТД [Текст] / И.В. Ильин, A.C. Матвеев // Материалы Международного молодежного форума. - Рыбинск, 2007. МАКС, 2007.-С. 47-51.

4 Ильин, И.В. Технология изготовления широкохордных лопаток ГТД с использованием операции горячей закрутки пера [Текст] / И.В. Ильин, A.C. Матвеев // Статьи и материалы 4 научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. - Москва, 2007. - С. 584-589.

5 Ильин, И.В. Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с использованием операции горячей закрутки пера [Текст] / И.В. Ильин, A.C. Матвеев // Тезисы докладов 4 Всероссийской ежегодной научно-технической конференции молодых специалистов. - Уфа, 2008. -вып. 2. - С. 23-26.

Зав. РИО М. Л. Салкова Подписано в печать 14.11.2008. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказ 111.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева (РГАТА) Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 Отпечатано в множительной лаборатории РГАТА 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1 Обзор современных способов изготовления компрессорных вентиляторных) лопаток ГТ Д.

1.1.1 Краткая характеристика лопаток компрессора ГТД.

1.1.2 Вентиляторные рабочие лопатки компрессора.

1.1.3 Некоторые особенности современных ГТД.

1.1.4 Технология производства лопаток компрессора.

1.1.4.1 Технология изготовления заготовок лопаток компрессора 1 ^

1.1.4.2 Технология обработки лопаток из штампованных ^ заготовок.

1.1.5 Сущность и особенности разработанного в ОАО «НПО»

Сатурн» способа изготовления широкохордных лопаток ГТД.

1.2 Обзор теоретических методов исследования процессов ^ закручивания (скручивания) стержней за пределом упругости.

1.2.1 Скручивание стержня круглого поперечного сечения.

1.2.2 Скручивание стержня квадратного поперечного сечения.

1.2.3 Скручивание стержня прямоугольного поперечного сечения.

1.2.4 Скручивание стержня с поперечным сечением в форме ^ эллипса.

1.2.5 Кручение стержней с сечениями произвольного профиля (по

Сен-Венану).

1.3 Выбор метода исследования напряженно-деформированного состояния

1.3.1 Обзор теоретических методов исследования напряженнодеформированного состояния.

1.3.2 Метод делительных (координатных) сеток.

1.4 Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ЗАКРУТКИ ПЕРА ЛОПАТОК ГТД.

2.1 Особенности определения силовых параметров при закрутке стержней, с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине.

2.1.1 Определение силовых параметров кручения стержня, с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине (по Сен-Венану).

2.1.2 Определение силовых параметров кручения стержня, с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, энергетическим методом.

2.2 Разработка методики обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для анализа деформированного состояния при закрутке профиля пера лопатки ГТД.

2.2.1 Определение параметров исходной делительной сетки.

2.2.1.1 Определение истиной длины граней X ячеек сетки.

2.2.1.2 Определение истиной длины граней У ячеек сетки.

2.2.2 Определение параметров деформированной делительной сетки.

2.2.2.1 Определение истиной длины граней X ячеек сетки.

2.2.2.2 Определение истиной длины граней У ячеек сетки.

2.2.3 Определение истинных(суммарных) деформаций граней X и У

2.2.4 Определение сдвиговых деформаций граней X и У.

2.2.5 К определению относительных деформаций вдоль оси Ъ.

2.2.6 Разработка компьютерной программы для обработки экспериментальных данных. Блок-схема программы.

2.3 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ЗАКРУТКИ.

3.1 Эксперимент по закрутке относительно тонкой пластины.

3.1.1 Анализ деформированного состояния.

3.1.2 Сравнение теоретических и экспериментальных результатов силовых параметров.

3.2 Эксперимент по закрутке пера лопатки ГТД.

3.2.1 Анализ деформированного состояния.

3.2.2 Сравнение теоретических и экспериментальных результатов силовых параметров.

3.3 Численное исследование процессов закрутки на основе метода конечных элементов.

3.4 Эксперимент по закрутке относительно тонкой пластины с помощью пакета программ ANS YS.

3.4.1 Анализ деформированного состояния.

3.4.2 Сравнение теоретических и экспериментальных результатов силовых параметров.

3.5 Эксперимент по закрутке лопатки ГТД с помощью пакета программ ANS YS.

3.5.1 Анализ деформированного состояния.

3.5.2 Сравнение теоретических и экспериментальных результатов силовых параметров.

3.6 Выводы по главе.

ГЛАВА 4 МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОПАТОК ПОСЛЕ ГОРЯЧЕЙ ЗАКРУТКИ ПЕРА.

4.1 Металлографические исследования.

4.2 Динамические исследования заготовок лопаток.

4.2.1 Усталостные испытания заготовок лопаток.

4.2.2 Металлографические исследования материала лопаток, прошедших усталостные испытания.

4.3 Выводы по главе.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА СХЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ЗАКРУТКИ ПЕРА 154 КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШИРОКОХОРДНЫХ ЛОПАТОК ГТД.

5.1 Разработка схемы технологического процесса изготовления крупногабаритных пшрокохордных лопаток ГТД.

5.2 Разработка принципиальной схемы оборудования для горячей закрутки пера крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД.

5.2.1 Полуавтоматическая установка для закрутки пера лопаток ГТД (вариант 1).

5.2.2 Полуавтоматическая установка для закрутки пера лопаток ГТД (вариант 2).

5.3 Сравнительный технико-экономический анализ внедрения разработанной схемы технологического процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД.

5.4 Выводы по главе.

Актуальность темы. К вентиляторам современных турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) предъявляют высокие требования по уровню аэродинамических характеристик в широком диапазоне условий эксплуатации, по общей массе, допустимому уровню шума. Известно, что вентилятор существенно влияет на общую тягу и топливную эффективность силовой установки. Создание современных конкурентоспособных ТРДД с высокой тягой невозможно без совершенствования конструкции лопатки вентилятора. Так, например, наличие в достаточно удлиненных лопатках вентилятора традиционных антивибрационных полок приводит к ухудшению его аэродинамических характеристик и увеличению расхода топлива. Один только отказ от них позволяет повысить газодинамическую эффективность вентилятора не менее чем на 6 % [36, 51], снизить (на крейсерских режимах) удельный расход топлива на 4 % [36, 51], увеличить расход воздуха через вентилятор. Последнее чрезвычайно важно, так как проходящий по наружному контуру воздушный поток создает около 75 % общей силы тяги [36]. Таким образом, для повышения эффективности современных газотурбинных двигателей (ГТД) необходимо в их вентиляторах применять широкохордные бесполочные лопатки.

Производство данного класса лопаток по традиционным технологиям, включающим в себя изготовление штамповкой заготовки лопатки с закруткой профиля пера и припусками по перу и замку, с последующим удалением припусков обработкой резанием или электрофизическими и иными методами, отличается значительной трудоёмкостью и металлоёмкостью. Для устранения недостатков производства крупногабаритных лопаток ГТД предложен новый метод построения технологических процессов их изготовления, сущность которого заключается в изготовлении штамповки лопатки без закрутки пера, удалении основного припуска и выполнении горячей закрутки сечений пера с последующими операциями изотермической термофиксирующей калибровки и отделочными операциями рабочих поверхностей лопатки.

Однако, имеющиеся отдельные экспериментальные материалы по применению закрутки, как вспомогательной доводочной операции при изготовлении лопаток ГТД, не позволяют разработать научно обоснованные рекомендации для проектирования технологических процессов производства штампованных заготовок лопаток с использованием горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции. Также, практически не изучено влияние процесса горячей закрутки на служебные характеристики лопаток. Разработка научного обоснования, технологических схем и оборудования для производства крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с применением горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности производства крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД посредством разработки теоретических основ операции горячей закрутки пера лопаток и ее применении в технологическом процессе изготовления штампованных заготовок.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине.

2. Разработать методику обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для анализа деформированного состояния лопаток ГТД при горячей закрутке пера.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса горячей закрутки пера лопатки ГТД с аэродинамическими, переменными по длине сечениями, выполнить анализ деформированного состояния образцов и определить основные энергосиловые параметры реализации процесса.

4. Провести металлургические исследования для определения влияния технологических факторов горячей закрутки пера на служебные характеристики и свойства лопатки.

5. На основе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, разработать технологические схемы процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с применением горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции.

6. Разработать технические требования и принципиальные схемы оборудования для реализации процесса горячей закрутки пера лопаток ГТД.

Методы исследований и достоверность результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием энергетического метода (метода баланса мощностей). Экспериментальные исследования проводились на основе теории инженерного эксперимента с проверкой адекватности теоретических зависимостей реальным процессам деформирования. Результаты экспериментов обрабатывались методом наименьших квадратов. Относительная погрешность результатов расчетов и экспериментов, по определению силовых параметров процесса, не превышает 20%. Обоснованность и достоверность полученных результатов, научных положений и выводов обеспечивается: использованием фундаментальных положений теории упругости и пластичности, обработки металлов давлением, сопротивления материалов, теоретической механики, статистической обработкой экспериментальных данных, удовлетворительным совпадением результатов расчета и экспериментальных исследований, а также совпадением с результатами численного моделирования методом конечных элементов.

Автор защищает:

- основные уравнения и соотношения, необходимые для расчета силовых параметров при горячей закрутке стержней с аэродинамическими, переменными по длине сечениями;

- методику обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для определения деформированного состояния при закрутке стержней с сечениями аэродинамического профиля; разработанные, на базе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, технологические схемы процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД, с использованием горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции;

- разработанные принципиальные схемы установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы процесса горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине:

- получены основные уравнения и соотношения, необходимые для расчета силовых параметров при горячей закрутке пера лопаток ГТД;

- разработана методика обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для определения деформированного состояния при закрутке пера лопаток ГТД.

Практическая ценность. На основе выполненных экспериментальных и металлургических исследований, проводимых на образцах-лопатках из высокопрочного титанового сплава ВТ6, установлено, что введение в технологический процесс изготовления штампованных заготовок операции горячей закрутки пера, не ухудшает служебные характеристики и свойства лопаток.

Разработанная прикладная программа для расчета деформаций по методу делительных сеток в условии решения пространственной задачи (операции закрутки) позволяет существенно стоить трудоемкость обработки экспериментальных данных.

На базе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, для предприятий авиадвигателестроительной отрасли, в зависимости от уровня развития кузнечно-пггамповочного производства, предлагаются две технологические схемы изготовления крупногабаритных ишрокохордных лопаток ГТД, позволяющие значительно снизить трудоемкость их производства.

Разработанные принципиальные схемы установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД, могут служить основой для создания полупромышленного оборудования.

Реализация работы. Теоретические исследования по определению силовых параметров процесса горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, использованы при проектировании установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД на ОАО «НПО «Сатурн». Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Ковка и объемная штамповка», «Технология обработки авиационных материалов», «Специальные способы штамповки авиационных материалов».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на Международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (Жуковский, 2007 г.); на IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007 г.); на научно-практической конференции, посвященной 50-летию основания кафедры «Авиационные двигатели» «Актуальные проблемы двигателестроения» (Рыбинск, 2007 г.), на IV Всероссийской ежегодной научно-технической конференции молодых специалистов, посвященная 83-й годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2008).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 1 статье в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК; 1 заявке на изобретение; 1 статье материалов Международного молодежного форума; 1 статье сборника статей и материалов научно-практической конференции молодых ученых и специалистов; 1 тезисе доклада Всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. A.C. Матвееву, к.т.н., доценту В.Б. Мамаеву, к.т.н., профессору В.В. Корнилову за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований, трех приложений, изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 100 формул, 10 таблиц, 117 рисунков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для авиадвигателестроения, и состоящая в повышении эффективности изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток газотурбинных двигателей, посредством разработки теоретических основ горячей закрутки пера, с целью ее применения в технологическом процессе изготовления штампованных заготовок лопаток, как базовой формообразующей операции.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработана математическая модель и выполнен анализ процесса закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине (лопаток ГТД) энергетическим методом, позволившие получить теоретическую зависимость величины крутящего момента от угла закрутки, с учётом плавно переменного характера распределения аэродинамических сечений по длине пера лопатки. При этом установлено, что величина крутящего момента, при прочих равных условиях, возрастает с увеличением угла закрутки и площадей поперечных сечений пера лопатки и уменьшается с увеличением его длины.

2. Анализ результатов экспериментальных данных и результатов численного моделирования в пакете программ А^ЗУЗ, полученных при холодной закрутке относительно тонкой пластины и горячей закрутке пера лопатки ГТД, подтверждает адекватность разработанной математической модели, характеризующей процесс закрутки, как сдвиг жесткопластических недеформируемых блоков.

3. Сравнение результатов расчета величины потребного крутящего момента при закрутке образцов по разработанной математической модели с результатами численного моделирования в пакете программ АЫБУЭ и экспериментальными данными, позволяет сделать вывод об удовлетворительном соответствии теоретических и экспериментальных данных при погрешности менее 20 %.

4. Выполненные сравнительные металлографические исследования микро- и макроструктуры материала лопаток, а также экспериментальные исследования по определению предела выносливости заготовок лопаток до и после проведения операции горячей закрутки пера, показали, что введение в технологический процесс производства лопаток ГТД операции горячей закрутки пера не ухудшает служебные характеристики и свойства материала лопаток.

5. На базе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, разработаны технологические схемы процесса изготовления широкохордных лопаток ГТД, позволяющие значительно снизить трудоёмкость изготовления лопаток данного класса.

6. Разработанные принципиальные схемы установок для горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД, могут служить основой для создания полупромышленного оборудования.

1. Алексеев, Ю.Н., Вопросы пластического течения металлов Текст. / Ю.Н. Алексеев Харьков, 1958. - 52 с.

2. Александров, В.К. Полуфабрикаты из титановых сплавов Текст. : справочник / B.K. Александров, Н.Ф. Аношкин, Г.А. Бочвар [и др.] М.: Металлургия, 1979. - 248 с.

3. Бабичев, А.П. Вибрационная обработка деталей Текст. / А.П. Бабичев -М.: Машиностроение, 1974. 133 с.

4. Безухов, Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести Текст. / Н.И. Безухов -М.: Высшая школа, 1968. 512 с.

5. Беляев, Н.М. Сопротивление материалов Текст. : справочник / Н.М. Беляев — М.: Гос. издательство технико теоретической литературы, 1958.-856 с.

6. Богатов, А. А. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением Текст. / А. А. Богатов, О.И. Мижирицкий, C.B. Смирнов М.: Металлургия, 1984. - 144 с.

7. Братухин, А.Г. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей Текст. / А.Г. Братухин, Г.К. Язов, Б.Е. Карасев, Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, И.П. Нежурин М.: Машиностроение, 1997. -411 с.

8. Великанов, K.M. Экономика и организация производства в дипломных проектах Текст. / K.M. Великанов, В.Ф. Власов, К.С. Карандашова- JI.: Машиностроение, 1977 208 с.

9. Галин, JI.A. Упруго-пластическое кручение призматических стержней. Прикладная математика и механика Текст. / JI.A. Галин М.: Металлургия, 1984. - 144 с.

10. Глазунов, С.Г. Конструкционные титановые сплавы Текст. / С.Г. Глазунов, В.Н. Моисеев М.: Металлургия, 1974. - 367 с.

11. Громов, В.П. Теория обработки металлов давлением Текст. / В.П. Громов // Т.2 М.: Металлургия, 1967. - 340 с.

12. Губкин, С.И. Пластическая деформация металлов Текст. / С.И. Губкин // Т.2 М.: Металлургиздат, 1961. - 416 с.

13. Губкин, С.И. Теория обработки металлов давлением Текст. / С.И. Губкин М.: Металлургия, 1947. - 532 с.

14. Джонсон, У., Меллор, П. Теория пластичности для инженеров Текст. / У. Джонсон, П. Меллор — М.: Машиностроение, 1979. — 568 с.

15. Дель, Г.Д. Метод делительных сеток Текст. / Г.Д. Дель, H.A. Новиков. -М.: Машиностроение, 1979. 144 с.

16. Дзугутов, М.Я. Напряжения и деформации при обработке металлов давлением Текст. / М.Я. Дзугутов М.: Металлургия, 1974. - 280 с.

17. Ерманок, М.З. Прессование титановых сплавов Текст. / под ред. М.З. Ерманка, Ю.П. Соболева, A.A. Гельмана-М.: Металлургия, 1979.-264с.

18. Ивлев, Д.Д. Теория идеальной пластичности Текст. / Д.Д. Ивлев — М.: Наука, 1966.-456 с.

19. Идзон, М.Ф. Механическая обработка лопаток газотурбинных двигателей Текст. / М.Ф. Идзон М.: Оборонгиз, 1963. - 350 с.

20. Ильин, И.В. Разработка метода и технологических процессов изготовления широкохордных лопаток ГТД Текст. / И.В. Ильин, A.C. Матвеев // Материалы Международного молодежного форума. — Рыбинск, 2007. МАКС, 2007. С. 47-51.

21. Ильин, И.В. Технология изготовления широкохордных лопаток ГТД с использованием операции горячей закрутки пера Текст. / И.В. Ильин, A.C.

22. Матвеев // 4 научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов. Москва, 2007. - С. 584-589.

23. Ильюшин, A.A. Пластичность Текст. / A.A. Ильюшин //4.1 — М.-Л.:ГТИ, 1948.-346 с.

24. Качанов, Л.М. Основы теории пластичности Текст. / Л.М. Качалов- М. Л.: Наука, 1969. - 420 с.

25. Качанов, Л.М. Механика пластических сред Текст.: / Л.М. Качанов

26. М —Л.: Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1948. — 215 с.

27. Качанов, Л.М. Пластическое кручение круглых стержней переменного диаметра Текст. / Л.М. Качанов // Прикладная математика и механика. 1949. - т. 13. - вып. 4.

28. Ковка и объемная штамповка Текст. : Справочник. В 2-х т. / под ред. М.В. Сторожева-М.: Машиностроение, 1967.

29. Ковка и штамповка Текст. : Справочник. В 4-х т. / Ред. совет: Е.И. Семёнов и др. ~М.: Машиностроение, 1987.

30. Ковка и штамповка цветных металлов Текст. : Справочник. / М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.

31. Колачев, Б.А. Механическме свойства титановых сплавов Текст. / Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, A.A. Буханова-М.: Металлургия, 1974. 543 с.

32. Колмогоров, В.А. Напряжения, деформации, разрушение Текст. / В.А. Колмогоров М.: Металлургия, 1970. - 230 с.

33. Колмогоров, В.А. Механика обработки металлов давлением Текст. / В.А. Колмогоров М.: Металлургия, 1986. - 688 с.

34. Кошаев, Ш.Д., Лебедев В.М. Изготовление лопаток ГТД пластическим деформированием без припуска по перу Текст. / Ш.Д. Кошаев, В.М. Лебедев М.: Воениздат, 1984. - 284 с.

35. Кошаев, Ш.Д. Состояние и перспективы производства лопаток компрессора на заводах отрасли Текст. / Ш.Д. Кошаев // Авиационная промышленность. 1981. - Приложение № 5. - С. 1-3.

36. Крымов, В.В. Производство лопаток газотурбинных двигателей Текст. / под ред. В.В. Крымова, Ю.С. Елисеева, К.И. Зудина М.: Машиностроение, 2002. - 375 с.

37. Кузнечно — штамповочное производство. Закручивание лопаток Текст. : науч. техн. и производств, журн. / учредитель ОАО «Автоваз» [и др.]. -М., 1974. -Ежемес.

38. Леонов, Б.Н. Технологическое обеспечение проектирования и производства газотурбинных двигателей Текст. / под ред. Б.Н. Леонова, A.C. Новикова [и др.] Рыбинск, 2000. - 407 с.

39. Лыков, A.B. Теория теплопроводности Текст. / A.B. Лыков М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

40. Малинин, H.H. Прикладная теория пластичности Текст. / H.H. Малинин-М.: Машиностроение, 1975. -399 с.

41. Маслов, В.Е. Экспериментальное исследование процессов обработки металлов давлением Текст. / В.Е. Маслов, В.Н. Шаповалов -Киев: Вшца школа, 1983. 232 с.

42. Пат. 247051 СССР, МПК B21d, В64с. Устройство для аэродинамической закрутки деталей Текст. / Шмелев А.И., Маметов Г.А, Кузнецов М.Ф, Щетинин Г.М. [и др.]; заявл. 29.04.1968 № 1240400/25-27; опубл. 20.06.1969, Бюл. № 21. 3 с.

43. Пат. 640782 СССР, МПК В21 D 11/14. Способ закрутки длинномерных деталей криволинейного сечения Текст. / Кузнецов Г.В., Шмелев А.И., Татаркин В.И.; заявл. 20.07.1977 № 2510799/25-27; опубл. 05.01.1977, Бюл. № 1.-2 с.

44. Перлин, П.И. Упруго-пластическое кручение стержней овального поперечного сечения Текст. / П.И Перлин // Инженерный сборник, 1961. — т.31.

45. Петухов, А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД Текст. / А.П. Петухов -М.: Машиностроение, 1993. 240 с.

46. Петухов, А.Н. Свободная от недостатков предшественников Текст. / А.Н. Петухов // ЦИАМ. 2005.

47. Полухин, П.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов Текст. / П.И. Полухин, Г.Я. Гун, А.Н. Галкин М.: Металлургия, 1983.-354 с.

48. Попов, A.A. Курс сопротивления материалов Текст. / A.A. Попов — М.: Машгиз, 1958.-512 с.

49. Практические вопросы испытания металлов / под ред. О.П. Елютина -М.: Металлургия, 1979. 280 с.

50. Пригоровский, Н.И. Методы и средства определения полей деформации и напряжений Текст. : справочник / Н.И. Пригоровский М.: Машиностроение, 1983.-248 с.

51. Роджерс, Д. Математическое моделирование машинной графики Текст. / Д. Роджерс, Дж. Адаме М.: Мир, 2001.

52. Ренне, И.П. Исследование деформированного состояния методом координатной сетки при сложном нагружении Текст. / И.П. Ренне // Прогрессивная технология холодноштамповочного производства М. - Л.: Машгиз, 1956. - 136 с.

53. Ренне, И.П. Поэтапное исследование сложной деформации с помощью делительной сетки Текст. / И.П. Ренне // Прогрессивная технология машиностроения. Тула: Приокское книж. изд-во, 1966. - 183 с.

54. Семенченко, И.В. Повышение надежности лопаток газотурбинных двигателей технологическими методами Текст. / И.В. Семенченко, Я.Г. Мирер. -М.: Машиностроение, 1977. 160 с.

55. Смирнов, В.К. Горячая вальцовка заготовок Текст. / В.К. Смирнов, К.И. Литвинов, С.В. Хоритонин. -М.: Машиностроение, 1980. 150 с.

56. Смирнов-Алиев, Г. А. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением Текст. / Г.А. Смирнов-Аляев, В.П. Чикидовский. М.: Машиностроение, 1972. - 360 с.

57. Смирнов-Аляев, Г.А, Сопротивление материалов пластическому деформированию Текст. / Г.А. Смирнов-Аляев Л.: Машиностроение, 1978. -368 с.

58. Смирнов-Аляев, Г.А. Механические основы пластической обработки металлов Текст. / Г.А. Смирнов-Аляев. Л.: Машиностроение, 1968.-272 с.

59. Смирнов-Аляев, Г.А. Технологические задачи теории пластичности Текст. / Г.А. Смирнов-Аляев, В.М. Розенберг. Л.: Лениздат., 1951. -215 с.

60. Соколов, Л.Д. Сопротивление металлов пластической деформации Текст. / Л.Д. Соколов -М.: Металлургиздат, 1963. 284 с.

61. Соколовский, В.В. Пластическое кручение круглых стержней переменного диаметра Текст. /В.В. Соколовский // Прикладная математика и механика. 1944. - т.8. — вып. 2.

62. Соколовский, В.В. Теория пластичности Текст. / В.В. Соколовский М.: Высшая школа, 1969. - 608 с.

63. Соколовский, В.В. Об одной задаче упруго-пластического кручения Текст. / В.В. Соколовский // Прикладная математика и механика. 1942. -т.6. - вып. 2.

64. Справочник по авиационным материалам Текст. : Справочник. В 2 т. / под ред. А.Т. Туманова М.: Машиностроение, 1966. - 453 с.

65. Степанский, Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением Текст. / Л.Г. Степанский-М.: Машиностроение, 1979. 215 с.

66. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением Текст. / М.В. Сторожев, Е.А. Попов -М.: Машиностроение, 1976. 723 с.

67. Сторожев, М.В. К элементарной теории пластической деформации Текст. / М.В. Сторожев// Вестник машиностроения. — 1958. — № 3. — с. 43-49.

68. Сторожев, М.В. Инженерные методы расчета усилий при обработке металлов давлением Текст. / М.В. Сторожев// Вестник машиностроения. — 1956.-Х» 9.-С. 83-85.

69. Тарновскии, И.Я. Теория обработки металлов давлением Текст. / И.Я. Тарновский, A.A. Поздеев, O.A. Ганаго. -М.: Машгиз, 1953. 304 с.

70. Тарновский, И.Я. Деформации и усилия при обработке металлов давлением Текст. / И.Я. Тарновский, A.A. Поздеев, O.A. Ганаго [и др.] М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.

71. Теплофизические свойства титана и его сплавов Текст.: правочник / под ред. АЕ. Шейндлина М.: Металлургия, 1985.- 103 с.

72. Тимошенко, С.П. Сопротивление материалов Текст. : Справочник. В 2-х т. / С.П. Тимошенко М.: Наука, 1965. - 480 с.

73. Томсен, Э. Механика пластических деформаций при обработке металлов Текст. : пер. с англ./ Э. Томсен, Ч. Янг, Ш. Кобаяши М.: Машиностроение, 1969.-504 с.

74. Томленов, А.Д. Теория пластического деформирования металлов Текст. /А.Д. Томленов М.: Металлургия, 1972. - 408 с.

75. Уваров, Л.Б. Технология производства лопаток компрессора современных газотурбинных установок Текст. : учеб. пособие для вузов/ Л.Б. Уваров-Рыбинск, 2005.-95 с.

76. Унксов, Е.П. Инженерные методы расчета усилий при обработке металлов давлением Текст. / Е.П. Унксов. М.: Машгиз, 1955. - 230 с.

77. Унксов, Е.П. Инженерная теория пластичности. Методы расчета усилий деформирования Текст. / Е.П. Унксов. -М.: Машгиз, 1959. 328 с.

78. Фиглин, С.Э. Изотермическое деформирование металлов Текст. / С.Э. Фиглин-М.: Машиностроение, 1978.-239 с.

79. Хилл, Р. Математическая теория пластичности Текст. / Р.Хилл — М.: ГИТТЛ, 1956.-407 с.

80. Чнгарев, A.B. ANSYS для начинающих Текст. : справ, пособ./ A.B. Чигарев, A.C. Кравчук, А.Ф. Смалюк- М.: Машиностроение 1, 2004 - 512 с.

81. Чиченсв, H.A. Методы исследования процессов ОМД Текст. / H.A. Чиченев, А.Б. Кудрин, П.И. Полухин [и др.]-М.: Металлургия, 1977. 311 с.

82. Шестаков, H.A. Энергетические методы расчета процессов обработки металлов давлением Текст. / H.A. Шестаков М.: МГИУ, 1998. -125 с.

83. Шмаиев, В.А. Технология электрохимической обработки деталей в авиастроении Текст. / В.А. Шманев, В.Г. Филимошин, А.Х. Каримов [и др.] -М.: Машиностроение, 1986. 162 с.

84. Шофман, JI.A. Основы расчета процесса штамповки и прессования Текст. / Л.А. Шофман. -М.: Машгиз, 1961.-340 с.

85. Яковлев, С.П. Экспериментальное исследование неравномерностей деформаций при плоском и осесимметричном формоизменении Текст. / С.П. Яковлев, И. А. Смарагдов, B.C. Горбунов Тула: ТПИ, 1978. - 42 с.

86. Augusti, G. Full Plastic Torque of I—Beams Text. / G. Augusti // Int. J. mech. Sei. 8, 1966-P.641.

87. Augusti, G. On the Limit Analysis of I—Beams with Warping Restraint Text. / G. Augusti // Engineering Plasticity C. U. P., 1968. p. 41.

88. Boulton, N. S. Plastic Bending and Twisting of an I—Beams with Text. / N. S. Boulton//Int. J. mech. Sei. 4, 1962-P.491.

89. Dinno, K. S. The Plastic Torsion of 1—Sections with Warping Restraints Text. /K.S. Dinno, S. Gill //Int. J. mech. Sei. 6, 1964-P. 127.

90. Dinno, K. S. A Procedure for Calculating the Plastic Collapse of I— Sections Under Bending and Torsions Text. / K. S. Dinno, W. Merchant // Struct. Engng 43, 1965 -P.219.

91. Freiberger, W. Elastic—Plastic Torsion of circular ring sectors Text. / W. Freiberger // Quarterly of applied mathematics, 14, №3,1956.

92. Gill, S. S. An Experimental Investigation of Plastic Collapse of Structural Members Under Combined Bending and Torsions Text. / S. S. Gill, J. K. G. Boucher// Struct. Engng. December, 1964.

93. Griffith, A. A. The Use of Soap Films in Solving Torsion Problems Text. / A. A. Griffith, G. I. Taylor // Proc. Instn mech. Engrs. Oct.—Dec, 1917.

94. Herakovich, C. T. Elastic—Plastic Torsion of Hollow Bars by Quadratic Programming Text. / C. T. Herakovich, P. G. Hodge // Int. J. mech. Sei. 11, 1969 — P.53.

95. Hetenyi, M. (ed). Handbook of Experimental Stress Analysis Wiley Text. / M. Hetenyi (ed). New York, 1950.

96. Higgins, T. J. Analogic Experimental Methods in Stress Analysis as Exemplified by Saint—Venant's Torsion Problems Text. / T. J. Higgins // Soc. for expl Stress Analysis 2, 1944 P. 17.

97. Kjar, A. R. The Axis of Distorsion Text. / A. R. Kjar // Int. J. mech. Sei. 9, 1967 P.873.

98. Leissa, A. W. On the Torsion of Bars having Symmetry Axes Text. / A.W. Leissa, J. H. Brann // Int. J. mech. Sei. 69, 1964 -P.45.

99. Mendelson, A. Plasticity: Theory and Applications (Chapter II) Macmillan Text. / A. Mendelson New York, 1968.

100. McClintock, F. A. The Growth of Fatigue Cracks Under Plastic Torsion Text. / F. A. McClintock // Conf. on Fatigue of Metals, Instn of mech. Engrs, Session 6, Paper 6, 1956.

101. Nadai, A. Der Beginn des FliessVorganges in einem tortierten Stab Text. / A. Nadai // Z. angew. Math. Mechanik 3, 1923 P.442.

102. Nadai, A. Theory of Flow and Fracture of Solids Text. / A. Nadai // McGraw-Hill, New York. Vol. I., 1950.

103. Navier, M. Resume des lecons sur lapplication de la mecanique Text. / edited by Saint—Venant // 3rd edn, Paris, 1864.

104. Olszak, W. On Anisotropic Twisted Bars Text. / W. Olszak // Acta techn. hung. 50, 1965-P.263.

105. Prager, W. Theory of Perfectly Plastic Solids Text. / W. Prager, Hodge, P. G. Wiley, New York, 1951.

106. Prandtl, L. Zur Torsion von prismatischen Staeben Text. / L. Prandtl // PhysikZ 4, 1965-P. 758.

107. Ronay, M. Second Order Elongation of Metal Tubes in Cycle Torsions Text. / M. Ronay // Int. J. Solids Structures, 4, 1969 P. 509.

108. Saint—Venant, B. Memoire sur la torsion des prismes Text. / B. Saint—Venant // Sei. math, etphys. 14, 1855 P. 223.

109. Southwell, R. Relaxation Methods: A Retrospect Text. / R. Southwell // Proc. Instnmech. Engrs 168, 1954-P. 7.

110. Timoshenko, S. A History of Strength of Materials Text. / S. Timoshenko //McGraw-Hill, New York, 1953.

111. Timoshenko, S. A Theory of Elasticity Text. / S. Timoshenko, J. N. Goodier// McGraw-Hill, London, 1951.

112. Todhunter, I. A History of the Elasticity and Strength of Materials Text. /1. Todhunter, K. Pearson, 1886.

113. Wang, C. T. Applied Elasticity Text. / C. T. Wang // McGraw-Hill, New York, 1953.