автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка процесса газовой формовки деталей ГТД

На правах рукописи

Разработка процесса газовой формовки деталей ГТД

Специальность 05.07.02 "Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2003

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева на кафедре технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Ю. П. Катаев

академик АН РТ, доктор технических наук, профессор И.М. Закиров

кандидат технических наук, доцент К. В. Ибрагимов

Открытое акционерное общество "Казанское моторостроительное производственное объединение" (ОАО КМПО)

Защита состоится 30 июня 2003г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.05 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, диссертационный совет Д 212.079.05.

Автореферат разослан "_"_2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета, у

кандидат технических наук, профессор Снигирев В.Ф.

loSJg

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В современном авиадвигателестроении одним из путей технического прогресса является поиск и совершенствование технологических процессов изготовления деталей ГТД с целью повышения их качества, надежности, ресурса работы, а также снижения себестоимости и трудоемкости их производства.

В конструкцию газотурбинного двигателя входит множество кольцевых деталей с различной формой образующей (кожухи, корпуса, кольца жесткости, экраны, дефлекторы), к которым предъявляются повышенные требования к точности изготовления. Существующие способы изготовления подобных деталей (роликовая прокатка, объемная штамповка, обтяжка) характеризуются большой трудоемкостью, многопереходностью обработки, необходимостью проведения промежуточных термообработок, к тому же не всегда удается выдержать требуемый уровень качества и точности деталей, а в ряде случаев оказывается невозможным. Также вышеперечисленные методы требуют наличия дорогого технологического оборудования, оснастки и являются довольно энергозатратными. Поэтому совершенствование технологических процессов обработки давлением крупногабаритных кольцевых и цилиндрических деталей из листового материала с использованием современных методов обработки является актуальной задачей.

Одним из прогрессивных способов изготовления кольцевых и цилиндрических деталей является формообразование заготовки раздачей инертным газом в -нагретом состоянии или газовая формовка. Данный метод обладает рядом преимуществ, таких как повышенной размерной и геометрической точностью изготовления, отсутствием дефектов при формообразовании, расширенными технологическими возможностями, простотой оборудования. Однако существующие разработки по теме газовой формовки в основном посвящены формообразованию материала в состоянии сверхпластичности, что требует дополнительных мероприятий по подготовке материала заготовки к последующей обработке. Это существенно сужает пределы применимости данного метода, особенно для авиапромышленности, где используется множество материалов, которые по тем или иным причинам не деформируются в сверхпластичном состоянии. Также для нахождения оптимальных режимов деформирования, а именно' скорости деформации, температуры нагрева заготовки и потребного давления инертного газа требуется математическое описание процесса и расчетные соотношения для определения этих параметров.

В соответствии с этим, целью данной работы является разработка нового процесса газовой формовки на примере изготовления полых листовых деталей из титанового сплава ОТ4-1 и жаропрочной стали 12X18Н1 ОТ.

Задачи исследования

- разработать новую конструктивную схему процесса газовой формовки;

- разработать математическую модель процесса формообразования методом

газовой формовки;

-2- выполнить моделирование процесса формообразования методом газовой • формовки;

- разработать методику определения оптимальных технологических параметров процесса газовой формовки.

Научная новизна

- определена функциональная зависимость напряжений от деформаций с учетом скорости деформирования и температурного режима обработки;

- разработана математическая модель процесса формообразования методом газовой формовки;

- выведены расчетные уравнения для определения технологических пара-• метров применительно к процессу газовой формовки;

- разработана методика определения оптимальных технологических параметров процесса газовой формовки.

Практическая ценность

- разработана конструктивная схема процесса газовой формовки;

- разработана конструкция технологической установки для осуществления газовой формовки сильфона ГТД;

- разработаны технологические рекомендации к процессу изготовления деталей методом газовой формовки.

Апробация и реализация результатов работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на научно-технических семинарах в ИТЦ Госинпром-КНИАТ и ОАО КМПО.

По результатам диссертационной работы разработаны и внедрены на ОАО КМПО технологические рекомендации к процессу формообразования тонкостенных цилиндрических деталей методом газовой формовки. Рассчитаны технологические параметры для изготовления двух деталей (коническая обечайка из титанового сплава ОТ4-1, сильфон из стали 12Х18Н10Т) методом газовой формовки.

Внедрение снизило трудоемкость проектирования технологических операций, а также позволило определять параметры технологического процесса газовой формовки на стадии проектирования технологической оснастки. Копия акта о внедрении приведена в приложении к диссертации.

Публикации

По результатам исследований, выполненных в диссертации, опубликовано 3 статьи, подана заявка на патент.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 60 названий и приложения. Объем работы составил 85 страниц машинописного текста, в то числе 14 рисунков и 8 таблиц.

На защиту выносятся:

- функциональная зависимость напряжений от деформаций с учетом скорости деформирования и температурного режима обработки;

- расчетные уравнения для определения технологических параметров применительно к процессу газовой формовки;

- методика определения оптимальных технологических параметров процесса газовой формовки;

- конструктивная схема процесса газовой формовки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность и важность вопросов, рассматриваемых в диссертации, формулируется цель работы.

В первой главе на основании анализа номенклатуры деталей ГТД приводится ее классификация по конструктивно - технологическим признакам и особенностям, даются технологические характеристики материалов, применяемых при изготовлении деталей ГТД, анализируются способы изготовления кольцевых и цилиндрических деталей, рассматриваются теоретические исследования процессов изготовления кольцевых и цилиндрических деталей ГТД.

Рассматриваемый класс кольцевых и цилиндрических деталей имеет следующие конструктивно- технологические особенности: высота детали составляет от 20 мм и более; диаметр детали от 200 до 3000 мм; для изготовления деталей в качестве заготовки используется листовой материал толщиной 0,5...3 мм; различная форма профиля образующей; в качестве материала используются титановые сплавы, жаропрочные, жаростойкие и коррозионно-стойкие стали и сплавы.

Проведенный анализ технологий современного авиационного производства показал, что деформирование кольцевых и цилиндрических деталей из листовых материалов осуществляется следующими способами: листовая штамповка, гидроштамповка, штамповка резиновой или жидкостной матрицей, высокоэнергетические методы пластического деформирования (штамповка с использованием энергии взрыва, электромагнитное формование, электрогидро-импульсное формование), ротационная вытяжка, кольцевая обтяжка.

Одним из передовых методов формообразования листовых деталей ГТД является газостатическая формовка металла в состоянии сверхпластичности, позволяющая получать полые изделия из листового материала за счет воздействия давления инертного газа, обеспечивающего при температуре сверхпластичности воспроизведение профиля матрицы. Газостатической формовкой можно получать изделия сложных форм за один-два перехода без промежуточных отжигов на более простых по сравнению с прессами установках при сравнительно дешевой оснастке и с минимальными потерями металла.

Для осуществления деформирования металла в состоянии сверхпластичности должны быть соблюдены следующие условия:

- ультрамелкозернистая структура деформируемого материала (диаметр зерна

менее 10...15 мкм);

-, температура деформации выше 0,4Т„Л; - скоростной интервал деформирования: ЮЛ.ЛО'1 с'1.

, ( Достоинства газостатической формовки заключаются в малой энергоемкости процесса, отсутствии потребности в мощном листоштамповочном оборудовании, применении простой и дешевой штамповой оснастки, возможности получения сложных и крупногабаритных изделий из малопластичных материалов за одну формообразующую операцию.

Недостатки газостатической формовки - это относительно низкая производительность и неравномерность стенок получаемых изделий. Также необхо-, димо,учитывать, что не все материалы обладают сверхпластичностью, а те, что "обладают, требуют специальных подготовительных мер для получения ультрамелкозернистой структуры.

„. .Из анализа вышеизложенных методов изготовления деталей ГТД можно сделать вывод о том, что этим технологическим процессам присущи некоторые недостатки, не позволяющие использовать их для всей номенклатуры деталей. Поэтому актуальной задачей является разработка технологического процесса, свободного от недостатков и одновременно обеспечивающего все преимущества, свойственные методам обработки металлов давлением. Таковым является процесс формообразования листовых деталей в горячем состоянии раздачей с помощью инертного газа или газовая формовка.

При анализе теоретических исследований рассмотрены работы Е. Зибеля и А. Помпа, А. Надаи, А.И. Целикова, A.B. Третьякова, С.З. Фиглина и В.В. Бойцова, О.М. Смирнова, где авторы приводят расчетные уравнения для опре- \

деления сопротивления деформации с учетом скорости, температуры и степени деформации. Однако предлагаемые методы имеют ряд недостатков и предназначены для расчета определенных технологических процессов. Таким образом, возникает необходимость разработать методику, позволяющую определять значение сопротивления деформации с учетом всех термомеханических факторов . для любого вида технологического процесса.

В заключение первой главы сформулированы цель работы и решаемые задачи.

Во второй главе определена функциональная зависимость напряжений от деформаций с учетом температуры и скорости деформации, которая представлена в виде произведения трех функций:

<r = Fl(e)F2(t)F3(e(t))

Функция F,(e) представляет собой известную степенную зависимость напряжений от деформаций в пластической области для металлов, обладающих нелинейным упрочнением:

Fl(e)=Ke\

где £ - истинная относительная деформация материала; К, п - констаи гы материала.

Функция F2{t) выражает зависимость напряжения от температуры, при

которой происходит деформация. Анализ экспериментальных данных показывает, что данную функцию удобно представить в виде экспоненты:

где I - приращение температуры; т, р - константы материала.

Функция ^з (¿(0) определяет зависимость напряжения от скорости деформации, которая в свою очередь зависит от температуры пластического деформирования металла. В данном случае целесообразно воспользоваться формулой для динамического пластического деформирования:

/ . уг/г„

где £ - скорость деформации материала, с'1;

¿0 - скорость деформации при стандартных испытаниях на растяжение, с"1; Т - температура пластического деформирования металла, К; Тт - температура плавления металла, К; а - константа материала.

Константы Кип определяются с учетом условия прохождения функцией через точки предела текучести металла и его временного сопротивления. Учитывая условие прохождения аналитической функции а - е через заданные экспериментальные точки можно записать функцию, имея лишь справочные характеристики материала. При этом берется холодное состояние металла (Т=273 К) и скорость деформации, равная скорости деформации при стандартных испытаниях на растяжение: ё = £0 =6- 1С4 с"1. В этих условиях:

<тв = Кев"\ <7^ 2 — Ке0 2 ■ Из совместного решения этих уравнений константы п и К определятся следующим образом:

1п£Гв-1п«Т02 „ сгв 2

и =-—; л=—МН/м .

1п£в-1п£02 Епв

Константа а отражает влияние скорости деформирования металла на напряжение при деформации. Поэтому она определяется с учетом условия прохождения функцией через точки, соответствующие низкоскоростному и высокоскоростному е2 способам деформирования металла в горячем состоянии. При этом берется промежуточное фиксированное значение истинной относительной деформации.

I а2

с,

а =

Т . ¿г

Константы тир определяют влияние температурного режима обработки на напряжение деформации. Поэтому они находятся с учетом условия прохождения функцией через точки, соответствующие разным температурам деформации (Т|, Т2) при одинаковой скорости деформирования. При расчетах берется промежуточное значение истинной относительной деформации. Исходя из этих условий, получим следующую систему уравнений:

а, = Ке" ехр(-

/ . уЦ/Тц,

и

аг = Ке" ехр(-(т/2)' Откуда после преобразований определим значение констант:

р-

ьД

т = Р\

(, 1г

, 1/К.

где

с, = 1п-

( . \aih-n )/Тт

е

с, =-

Л>

Кб'

\ео

При известных коэффициентах соотношение между напряжениями, деформациями, температурами и скоростями пластического деформирования примет вид:

/ . \«Г/Т„

а = Ке" ехр(-(/иг)'9)

МН/м2.

В третьей главе даны рекомендации по выбору оптимальной формы заготовки. Основное требование к проектируемой заготовке - ее профиль должен быть эквидистантен профилю получаемой детали. Тогда при формообразовании все участки поверхности заготовки будут деформироваться примерно одинаково, что уменьшает разностенность готовой детали. Таким образом, в зависимости от формы получаемой детали заготовка может быть цилиндрической или конической с различным углом раствора конуса (рис.1).

Рассматривается напряженно - деформированное состояние конической оболочки применительно к процессу деформирования методом газовой формовки. При анализе используется теория тонких оболочек, основанная на следующих допущениях:

I. прямолинейные волокна оболочки, перпендикулярные срединной поверхности до деформации, остаются прямолинейными и перпендикулярными к изогнутой срединной поверхности, сохраняя при этом свою длину (гипотеза прямых нормалей);

2. нормальными напряжениями на площадках, параллельных изогнутой срединной поверхности, можно пренебречь по сравнению с прочими напряжениями.

3. пренебрегаем силами трения между деформируемым металлом и поверхностью матрицы.

Условия деформации оболочки близки к условиям безмоментного напряженного состояния, так как, деформируясь, нагретый лист металла не испытывает заметных изгибных напряжений ввиду своей тонкостенности и малой жесткости на изгиб.

При нагрузке внутреннего давления газа р возникают нормальные растягивающие усилия Т| и Тг (рис. 2). Касательных усилий не возникает, так как верхнее и нижнее основания конуса закреплены и не смещаются относительно друг друга.

Рис. 2. Погонные усилия при деформировании конической оболочки

Уравнения равновесия элемента срединной поверхности рассматриваемой конической оболочки имеют вид:

Тх еЬс^х + <Ь)4Г ~ Т^г - 2Т2сЬС^~ = 0; После преобразований получим:

Отсюда определится значение нормального растягивающего усилия:

Ч-1-

X

/«ЙГу + с

Константу интегрирования с определим при условии, что на краю обо-

г

лочки Г,=0 при х = х,= ——. С учетом этого получим:

вшу

РЪГ

х -

г \ х

При известных значениях погонных усилий напряжения определятся следующим образом:

Г, Т2

и. = —, <т=-,

1 Я 2 Я

где Н- толщина оболочки.

При формообразовании заготовки происходит пластическое деформирование металла. В этом случае принцип независимости действия сил не может быть использован. Это существенно усложняет решение пластической задачи по сравнению с упругой задачей. Для перехода к задаче пластичности воспользуемся методом решения задач пластичности с помощью упругих коэффициентов для данных реологических условий протекания процесса.

Сущность метода заключается в том, что из решения задачи упругости находятся коэффициенты пропорциональности напряжений, которые затем используются в задаче пластичности.

Найдем отношения между напряжениями для упругой задачи:

<т2 I

Выразим обобщенное напряжение а, через аг:

<х, = аг л/Лг - й + 1.

Напряжением сг3, определяющем напряженное состояние по толщине оболочки, пренебрегаем ввиду его малой величины в сравнении с прочностью металла.

Зависимость напряженного и деформированного состояний определим с учетом условия равенства направляющего тензора напряжений и направляющего тензора деформаций.

Выразим обобщенную деформацию е, через е2:

б, = е2^И2 -й + 1.

Тогда зависимость между обобщенным напряжением и обобщенной деформацией при пластическом деформировании выражается следующим образом:

а,=Ке," или - И + \ = К^И7 - И + \).

После преобразований получим ст2 = А!'|е2",где К, = Кл1иг-А + Г .

С учетом вышеизложенного, зависимость обобщенного напряжения от степени обобщенной деформации, температуры нагрева и скорости деформирования определится соотношением:

, \«т/т„ г . л«г/г„

сг2 = К^г" ехр(-(тО)

)

или о-, = Ке" ехр(-(пну)

\Б>о )

Нормальное смещение, или прогиб оболочки со, определится из уравне-

со а>

ния е, = — =-.

Л Щу

С учетом этого уравнение для расчета потребного давления инертного газа в любой точке поверхности конической заготовки примет вид:

/. \аТ/Т„

Аналогично определяется расчетное уравнение для цилиндрической заго-

товки:

р-К^а'ы р(-(«/У)

А

Е

)

При изготовлении деталей ГТД методом газовой формовки для предотвращения разрыва или критического утонения металла в местах максимальной деформации необходимо знать величину критического давления ркр. Для этого в уравнении, выражающем зависимость между обобщенным напряжением и обобщенной деформацией заменим е2 на ев. Тогда уравнения, позволяющие определить критическую величину потребного давления инертного газа при деформировании конической и цилиндрической оболочек, примут вид:

Ркр х ~~~ев" ехР(~(т0^) ЩГ

<агг„

■■К,£ев'а рН«/)')

Г . \аТР; е_

В четвертой главе разрабатывается конструктивная схема процесса газовой формовки. Даны рекомендации по выбору способа технологического процесса газовой формовки. Рассмотрена конструкция технологической установки для изготовления сильфонов ГТД методом газовой формовки.

Существует несколько вариантов технологического процесса газовой формовки, определяющие схему нагрева заготовки до температур деформирования и конструкцию технологической установки:

1. Нагрев заготовки в печи и последующее закрепление в штамповой оснастке.

2. Закрепление заготовки в технологической установке, которую затем надевают в печи;

3. Нагрев заготовки в штампе, где размещены нагревательные элементы;

В первом случае нет необходимости помещать всю технологическую установку в печь, что иногда проблематично при изготовлении крупных деталей. Но при переносе от печи к штампу заготовка охлаждается и для поддержания рабочего интервала температур ее приходится нагревать до более высоких значений, что неблагоприятно сказывается на свойствах материала. При соприкосновении горячей детали с холодным штампом по мере остывания в заготовке образуется неоднородное температурное поле, возникают зоны затрудненной деформации и очаги локализации деформаций, вследствие чего получается деталь с разной толщиной стенок. Поэтому возникает необходимость в подогреве штампа и его теплоизоляции, что усложняет процесс и конструкцию оборудования.

При втором виде технологического процесса заготовка получает равномерный нагрев в необходимом диапазоне температур по всей поверхности и в течение требуемого времени, что позволяет осуществлять процесс формообразования с большими степенями деформаций и благоприятно сказывается на процессе деформирования и окончательном состоянии детали. Однако при этом возникают сложности при подводе инертного газа под давлением, появляется необходимость в защите трубопроводов от высоких температур деформации. Также нужно предусмотреть герметизацию газовой арматуры, когда для нагрева используется вакуумная печь (для титановых сплавов). При изготовлении крупногабаритных деталей требуются большие печи для установки соответствующей оснастки.

Указанные недостатки позволяет исключить третий способ, когда в технологическом штампе размещены нагревательные элементы. В этом случае отпадает необходимость перемещать установку в печь и обратно, упрощается подвод газа. Также при деформировании материалов, интенсивно окисляющихся под действием кислорода, появляется возможность исключить применение вакуумных печей, так как деформируемая деталь находится в герметичной полости штампа под воздействием только инертного газа. Однако и у этого способа есть основной недостаток, а именно сложность и дороговизна применяемого технологического оборудования.

Таким образом, на выбор варианта технологического процесса оказывают влияние характеристики изготовляемой детали (габаритные размеры, материал) и технологическая оснащенность производства.

Дпя осуществления процесса газовой формовки спроектирована технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД.

На рис. 3 представлен вид технологической установки для изготовления сильфонов ГТД сверху и разрез установки по линии А-А, где: 1 - опрйвка; 2, 3, 4, 5 - сегменты внутренней полуматрицы; 6, 7- сегменты внешней полуматрицы; 8 - канал подачи газа высокого давления; 9 - канал отвода воздуха; 10 • кольцевые канавки внутренней полуматрицы; 11 - кольцевой паз; 12 - кольцевые канавки наружной полуматрицы; 13- кольцевой зуб.

А-А

методом газовой формовки

Устройство работает следующим образом: на оправке 1 устанавливают сегменты 2, 3, 4, 5 внутренней полуматрицы. Сверху на внутреннюю полуматрицу опускают цилиндрическую заготовку, прилегающую вплотную к внешней поверхности сегментов 2, 3, 4, 5. Затем заготовку зажимают сегментами 6, 7 внешней полуматрицы, после чего фланцы сегментов 6, 7 скрепляют между собой. За счет этого и за счет внедрения кольцевых зубьев 13 в кольцевые пазы 11 осуществляется закрепление заготовки и герметизация полости матрицы. Установку помещают в печь и нагревают до температуры, при которой материал заготовки проявляет повышенные пластические свойства. Способ нагрева выбирают исходя из технологических возможностей производства (например, нагрев в печи, индукционный нагрев). После нагрева через каналы 8 к заготовке подают инертный газ потребного давления. Под действием давления газа нагретый металл начинает деформироваться, принимая форму кольцевых канавок 10, 12. Процесс деформации металла идет в две стороны, от оси и к оси сильфона. В процессе раздачи сильфона воздух, оставшийся в кольцевых канавках 10, 12, вытесняется деформируемым металлом и по каналам 9 выводится наружу. По окончании формовки извлечение сильфона из полуматриц осуществляют следующим образом. Внутреннюю и внешнюю полуматрицу вместе с деталью снимают с оправки, разбирают внешнюю полуматрицу, затем вынимают сегменты 2,3,4,5 внутренней полуматрицы.

По сравнению С; известными аналогами, данная технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД позволяет изготавливать детали высокого качества с большой высотой гофр (h/b>4) диаметром более 1 ООО мм. Качество изготовления сильфонов обеспечивается за счет снижения степени деформации материала на 50 %, что уменьшает утонение металла в местах максимальной деформации (вершины и впадины гофр) и снижает внутренние остаточные напряжения металла после деформации, также это позволяет уменьшить потребное давление инертного газа и сокращает время изготовления детали.

На конструкцию технологической установки для изготовления сильфонов ГТД подана заявка на патент.

В пятой главе рассматривается пример расчета потребного давления инертного газа для полых тонкостенных деталей из титанового сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т. Получены расчетные уравнения (табл. 1), на основе которых с помощью ПЭВМ (программа Mathcad 2001 Professional) проведено имитационное моделирование процесса газовой формовки цилиндрической заготовки для двух марок материала. По результатам моделирования проведен анализ и даны рекомендации по назначению технологических режимов формовки.

Таблица I

Расчетные уравнения для определения технологических параметров формообразования деталей из различных материалов

Форма заго-■ говки Материал заготовки Расчетное уравнение

• Усеченный конус ОТ4-1

I2XI8H10T

Цилиндр 014-1 пи Hm ■>,, f £ V»« р = 974-^jcü" ' exp(-(0mi7tf''\j~^

12XI8HI0T 0 n H ,i/ , , ( £ V«"> p = 881-jpjO) exp(-(0,0013t ):J

Анализ результатов моделирования показал, что: величина потребного давления инертного газа с ростом степени деформации увеличивается интенсивнее при температурах 500...700°С (ОТ4-1) и 700...900°С (12Х18Н10Т);

в процессе деформирования с ростом Величины прогиба оболочки потребное давление инертного газа изменяется незначительно при температурах 800...1000°С для сплава ОТ4-1 и 1000...1200°С для стали 12Х18Н10Т, что говорит о возможности увеличения допустимой степени деформации при этих температурах;

увеличение температуры нагрева заготовки при формообразовании ведет к резкому снижению величины потребного давления инертного газа (длй ОТ4-1 в диапазоне 200...800°С; для 12Х18Н10Т при 200... 1200°С); 1 ° с ростом температуры зависимость потребного давления инертного пра от радиуса кривизны оболочки заметно падает' (для ОТ4-1 при для 12Х18Н10Т при 1100...1200°С); \

при температурах 900...1000°С для ОТ4-1 и 1Ю0...1200°С для 12Х18Н10Т давление инертного газа практически не зависит от радиуса кривизны оболочки. Это говорит о том, что при формообразовании заготовки-в виде усеченного конуса распределение потребных усилий деформирования по поверхности оболочки происходит более равномерно, что благоприятно сказывается на процессе обработки и позволяет получить деталь с равномерной толщиной по всей поверхности;

увеличение скорости деформирования металла ведет к росту величины потребного давления инертного газа;

с увеличением скорости деформирования рост величины потребного давления инертного газа происходит интенсивнее в диапазоне температур 150...600°С для титанового сплава и 200...800°С для стали; при температурах, близких к максимальным из выбранного диапазона изменение скорости деформирования практически не влияет на величину потребного давления инертного газа;

рост величины потребного давления инертного газа при увеличении скорости деформирования происходит интенсивнее при температурах 500...700°С (ОТ4-1) и 700... 1000°С (12Х18Н10Т);

при температурах 900...1000°С для ОТ4-1 величина потребного давления инертного газа с ростом скорости деформирования почти не изменяется; в процессе формообразования интенсивность утонения деформируемой оболочки с ростом глубины вытяжки снижается при увеличении степени деформации. Наиболее интенсивно процесс утонения материала оболочки происходит на начальном этапе деформирования;

при повышенных температурах деформирования (800... 1000°С для ОТ4-1 и 1 Ю0...1200°С для 12Х18Н10Т) с ростом величины вытяжки листа его толщина почти не изменяется;

Рекомендации по выбору оптимальных технологических параметров процесса газовой формовки:

1. оптимальный температурный режим деформирования для сплава ОТ4-1 составляет 700...900°С, для стали 12Х18Н10Т- 1000...1200°С;

2. обработку целесообразно осуществлять при скоростях деформирования в диапазоне 10'"\..10'' с"1;

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса формообразования методом газовой формовки;

2. Определена функциональная зависимость напряжений от деформаций с учетом скорости деформирования и температурного режима обработки;

3. Выведены расчетные уравнения для определения технологических параметров применительно к процессу газовой формовки;

4. Разработана методика определения оптимальных технологических параметров процесса газовой формовки;

5. Разработана конструктивная схема процесса газовой формовки;

6. Разработана конструкция технологической установки для-осуществления газовой формовки сильфона ГТД;

7. Проведено моделирование процесса газовой формовки с помощью ПЭВМ (программа Mathcad 2001 Professional), на основе которого построены кривые технологических параметров при формообразовании методом газовой формовки;

8. Даны рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов процесса газовой формовки;

9. Разработаны и внедрены на предприятии технологические рекомендации к процессу изготовления деталей методом газовой формовки.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Катаев Ю.П., Захаров О.Г. Экспериментальная зависимость напряжений от деформаций для титанового сплава ОТ4-1 при различных температурах и скоростях деформации. // Изв. вузов. Авиационная техника. 2001. №4. С. 76 т 78.

2. Катаев Ю.П., Захаров О.Г. Расчет давления инертного газа при формообразовании деталей ГТД из листового металла. // Изв. вузов. Авиационная техника. 2002. №3. С. 70 - 72.

3. Захаров О.Г., Катаев Ю.П. Методика расчета технологических параметров процесса формообразования сильфона ГТД раздачей инертным газом II Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. 2002. №4. С. 14 - 15.

4. Удостоверение о регистрации № 2002111471 с приоритетом 29 апреля 2002 г.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ. л. 1,0. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр. - отг. 0,93. Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ Г 111.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

i

ч

goo?-А P 1083 8

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования.

1.1 Конструктивно-технологические характеристики кольцевых и цилиндрических деталей ГТД.

1.2 Технологические характеристики материалов заготовки.

1.3 Способы изготовления кольцевых и цилиндрических деталей ГТД.

1.4 Теоретические исследования процессов изготовления кольцевых и цилиндрических деталей ГТД.

1.5 Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Функциональная зависимость напряжений от деформаций.

2.1 Определение функциональной зависимости напряжений от деформаций с учетом температуры и скорости деформации.

2.2 Расчетное уравнение функциональной зависимости сг - s.

ГЛАВА 3. Теоретические основы определения технологических параметров процесса газовой формовки.

3.1 Выбор оптимальной заготовки.

3.2 Расчетная схема процесса газовой формовки.

3.3 Теоретическое определение технологических параметров процесса

ГЛАВА 4. Конструктивная схема процесса газовой формовки.

4.1 Выбор способа технологического процесса газовой формовки.

4.2 Технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД.

ГЛАВА 5. Моделирование технологического процесса формообразования тонкостенных листовых деталей.

5.1 Расчетные уравнения для сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т.

5.2 Расчетные кривые технологических параметров процесса газовой формовки для сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н1 ОТ.;.

5.3 Рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов обработки.

ГЛАВА 6. Практическая реализация результатов исследования.

6.1 Расчет технологических параметров процесса изготовления конической обечайки из сплава ОТ4-1 методом газовой формовки. i.

6.2 Расчет технологических параметров процесса изготовления сильфона ГТД из стали 12Х18Н10Т методом газовой формовки.

В современном авиадвигателестроении одним из путей технического прогресса является поиск и совершенствование технологических процессов изготовления деталей ГТД с целью повышения их качества, надежности, ресурса работы, а также снижения себестоимости и трудоемкости их производства.

В конструкцию газотурбинного двигателя входит множество кольцевых деталей с различной формой образующей (кожухи, корпуса, кольца жесткости, экраны, дефлекторы), к которым предъявляются •повышенные требования к точности изготовления. Существующие способы изготовления подобных деталей (роликовая прокатка, листовая штамповка, обтяжка) характеризуются большой трудоемкостью,, многопереходностью обработки, необходимостью проведения промежуточных термообработок, к .тому же не всегда удается выдержать требуемый уровень качества и точности деталей, а в ряде случаев оказывается невозможным. Также вышеперечисленные методы требуют наличия, дорогого технологического оборудования, оснастки и являются довольно энергозатратными. Поэтому совершенствование технологических процессов обработки давлением крупногабаритных кольцевых и цилиндрических деталей из листового материала с использованием современных методов обработки является актуальной задачей.

Одним из прогрессивных способов изготовления кольцевых и цилиндрических деталей является формообразование заготовки раздачей инертным газом в нагретом состоянии или газовая формовка. Данный метод обладает рядом преимуществ, таких как повышенной размерной и геометрической точностью изготовления, отсутствием дефектов при формообразовании, расширенными технологическими возможностями, простотой оборудования. Однако существующие разработки по теме газовой формовки в основном посвящены формообразованию материала в . состоянии сверхпластичности, что требует дополнительных мероприятий по подготовке материала заготовки к последующей обработке. Это существенно сужает пределы применимости данного метода, особенно для авиапромышленности, где используется множество материалов, которые по тем или иным причинам не деформируются в сверхпластичном состоянии. Также для нахождения оптимальных режимов деформирования, а именно скорости деформации, температуры нагрева заготовки и потребного давления инертного газа требуется,математическое описание процесса и расчетные соотношения для определения этих параметров. В соответствии с этим, целью данной работы является разработка нового процесса газовой формовки на примере изготовления полых листовых деталей из титанового сплава ОТ4-1 и жаропрочной стали 12Х18Н10Т.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

По результатам диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. Разработана математическая модель процесса формообразования методом газовой формовки;

2. Определена функциональная зависимость напряжений от деформаций с учетом скорости деформирования и температурного режима обработки;

3. Выведены расчетные уравнения для определения технологических параметров применительно к процессу газовой формовки;

4. Разработана методика определения оптимальных технологических параметров процесса газовой формовки;

5. Разработана конструктивная схема процесса газовой формовки;

6. Разработана конструкция технологической установки для осуществления газовой формовки сильфона ГТД;

7. Проведено моделирование процесса газовой формовки с помощью ПЭВМ (программа Mathcad.2001 Professional), на основе которого построены кривые технологических параметров при формообразовании методом газовой формовки;

8. Даны рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов процесса газовой формовки;

9. Разработаны и внедрены на предприятии технологические рекомендации к процессу изготовления деталей методом газовой формовки.

1. Абрамов A.M. Формообразование сварных деталей замкнутого контура растяжением разжимными пуансонами. Филиал ВИНТИ. 1957.

2. Абрамов A.M. и др. Производство газотурбинных двигателей. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1966.

3. Барская В.Ф., Рокотян С.Е., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового металла. М.: Металлургия, 1976.- 264 с.

4. Бутузов Е.А. Специальные виды штамповки. М.: Высшая школа, 1962.206 с.

5. Вайтрауб Д.А. Новый метод изготовления полых деталей, имеющих форму тел вращения. М.: Машгиз, 1956.

6. Гарькавый А.А. Производство деталей авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1977.- 168 с.

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

8. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов/ JI.A. Никольский, С.З. Фиглин, В.В. Бойцов и др. М.: Машиностроение, 1975.- 285 с.

9. Гринченко И.Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1971.- 120 с.

10. Ю.Громова А.Н., Завьялова В.И, Коробов В.К. Изготовление деталей из листов и профилей при серийном производстве. М.: Оборонгиз, 1960.

11. Н.Горбунов М.Н. Основы технологии производства самолетов. М.: Машиностроение, 1976.-260 с.

12. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов, т. I, II, III. М.: Металлургиздат, 1960.

13. Давыдов В.И. Изделия из тонкостенных профилей. М.: Машгиз, 1957. •14. Давыдов Ю.П., Покровский Г.В. Листовая штамповка титановыхсплавов. М.: ВИНИТИ, 1958.- 37 с.

14. Евстигнеев М.И., Подзей А.В., Сулима A.M. Технология производства двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1982.- 260 с.

15. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. М.: Машиностроение, 1968.- 330 с.

16. Зайков Н.А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке. Свердловск-Москва.: Металлургиздат, 1960.-302 с.

17. Захаров О.Г., Катаев Ю.П. Методика расчета технологических параметров процесса формообразования сильфона ГТД раздачей инертным газом // Вестник КГТУ им. А, Н. Туполева. 2002. №4. С. 14-15

18. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. М.: Машгиз, 1958.

19. Зюзин В.И. Определение сопротивления деформации методом термомеханических коэффициентов. Труды ВНИИМЕТМАШ. 1963, №8.

20. Изготовление деталей пластическим деформированием/ Под ред. К.Н. Богоявленского и Л.В. Камнева. Л.: Машиностроение, 1975.- 424 с.

21. Изготовление основных деталей авиадвигателей/ М.И. Евстигнеев, И.А. Морозов, А.В. Подзей и др.: Под ред. А.В. Подзея. М.: Машиностроение, 1972.- 448 с.

22. Изотермическое деформирование металлов/ С.З. Фиглин, В.В. Бойцов и др. М.: Машиностроение, 1978.- 239 с.

23. Исаченков Е.И. Новые способы штамповки. М.: Машгиз, 1955.

24. Исаченков Е.И. Штамповка деталей из нержавеющей стали. М.: Машгиз, 1962.

25. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машгиз, 1962.328 с.

26. Кайбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975.-280 с.

27. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984.- 262 с.

28. Катаев Ю.П., Захаров О.Г. Экспериментальная зависимость напряжений от деформаций для титанового сплава ОТ4-1 при различных темпе-, ратурах и скоростях деформации //.Изв. вузов. Авиационная техника. 2001. №4. С. 76-78.

29. Катаев Ю.П., Захаров О.Г. Расчет давления инертного газа при формообразовании деталей ГТД из листового металла // Изв. вузов. Авиационная техника. 2002. №3. С. 70 — 72.

30. Катаев Ю.П., Кувшинов П.И. Магнитногидроимпульсное пластическое • деформирование металлов. М.: Машиностроение, 1994. 172 с.

31. Катаев Ю.П., Лысов М.И. Метод решения задач пластичности с помощью упругих коэффициентов // Изв. вузов. Авиационная техника. 1975. №3. С. 54-59.

32. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. Механические свойства титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1974.- 544 с.

33. Кузьмин С.И., Лебедянская Н.Д., Зайцев А.Н. Штамповка листового металла газовым пуансоном. ИВУЗ. Машиностроение. Изд. МВТУ им. Баумана, 1960.

34. Лысов М.И. Теория и расчет процессов изготовления деталей методами гибки. М.: Машиностроение, 1966. 236 с.

35. Лысов М.И., Закиров И.М. Пластическое формообразование ■ тонкостенных деталей авиатехники. М.: Машиностроение, 1983.- 176 с.

36. Лысов М.И., Катаев Ю.П. Определение технологических параметров процессов формообразования деталей летательных аппаратов методами пластического изгиба и кручения/ Казань (Казан, авиац. ин-т), 1971. 90 с.

37. Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Том. 3. Специальные стали и сплавы. М.: Машиностроение, 1968.- 448 с.

38. Мендлин М.А. Штамповка резиной. М.: Оборонгиз, 1944.

39. Мещерин В.Т. Листовая штамповка. Атлас схем. М.: Машиностроение, 1975.-227 с.

40. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983.- 192 с.

41. Обработка титановых сплавов давлением/ Г.Е. Мажарова, А.З. Комановский и др. М.: Металлургия, 1977.- 96 с.

42. Общетехнический справочник/ Е.А. Скороходов, В.П. Законников, А.Б. Пакнис и др.: Под общ. Ред. Е.А. Скороходова. М.: Машиностроение, 1989.-512 с.

43. Пихтовников Р.В. Использование взрывной волны для вытяжки и формовки средних и крупных деталей при малом масштабе производства. Сборник «Новое в технологии высокопроизводительной листовой штамповки». Машгиз, 1959.

44. Пихтовников Р.В., Завьялов В.И. Штамповка листового металла взрывом. М.: Машиностроение, 1964.- 174 с.

45. Подзей А.В., Сулима A.M., Фигаро В.Р., Цуканов И.С. Технология авиадвигателестроения. М.: Оборонгиз, 1957.

46. Поконечный Г.Ю. Комбинированная штамповка деталей при помощи резины. Вестник машиностроения, 1957, №6. •

47. Применение титана в промышленности. Вып. 1. . . М.: Цветметинформация, 1970.

48. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1965.- 788 с.

49. Смирнов О.М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979.- 184 с.

50. Титановые сплавы в машиностроении/ Б.Б.Чегулин, С.С. Ушков и др.: Под ред. Г.И. Капырина. Л.: Машиностроение, 1977.- 248 с.

51. Третьяков А.В., Трофимов Г.К., Гурьянова М.К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. М.: Машиностроение, 1971.

52. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Оборонгиз, 1946.

53. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат, 1962.

54. Шнейдер Ю.Г. Чистовая обработка металлов давлением. М.: Машгиз, 1963.-270 с.

55. Юдин Л.Г., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек. М.: Машиностроение, 1984.-128 с.

56. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект. М.: Машгиз, 1955. •

57. Удостоверение о регистрации изобретения № 2002111471 с приоритетом 29 апреля 2002 г.

58. Siebel Е., Pomp A. Mitt. К. W., Inst, fur Eisenforschung! .1927, №9; 1928, №10.

59. Nadai A., Manjoine M.I. High Speed Tension Tests- at Elevated Temperatures. Journal of Applied Mechanics, 1941, v. 8, №2.