автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Вальцевание лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов с электроконтактным нагревом

'б од

На правах рукописи

с

БУЗДАЕВ ФЕДОР ВАСИЛЬЕВИЧ

ВАЛЬЦЕВАНИЕ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ

Специальности:

05.07.05- Тепловые двигатели летательных аппаратов 05.07.04-Технология производства летательных аппаратоз.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1998

Работа выполнена на кафедре технологии производства двигателей Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева

и в Казанском НИИД

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Ф.С.Юнусов; доктор технических наук, профессор Р.М.Халимуллин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.А.Смирнов; кандидат технических наук профессор Б.Л.Ибатуллин.

Ведущее предприятие: Казанское моторостроительное производственное объединение.

на заседании диссертационного совета Д 063.43.01 Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева по адресу: (420111, г.Казань, ул.К.Маркса, 10, зал заседаний).

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

Автореферат разослан 1998г.

Защита состоится

1998 г.

часов

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук -7" А.Г.Каримова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Технический прогресс в современном авиадвигателестроешш заключается в изыскании новых и совершенствовании уже существующих технологических процессов изготовления деталей ГТД в целях улучшения их качества, долговечности и надежности в работе, а также уменьшения трудоемкости их изготовления. Особенно это касается лопаток компрессоров, наиболее массовых, высоконагруженных деталей, качественное изготовление которых во многом определяет газодинамические характеристики и ресурс двигателей.

Во вновь создаваемых двигателях происходит ужесточение требований к точности выполнения профиля и шероховатости поверхности пера лопаток. 3 то же время появляются все более совершенные, с точки зрения прочности, каро- и коррозионной стойкости, материалы для компрессорных лопаток, «пример, титановые сплавы, качественная обработка которых традиционно :уществующими способами значительно затруднена.

Одним из прогрессивных способов формообразования профиля пера юпаток из труднодеформируемых сплавов,в частности титановых, является фоцесс вальцевания - горячего и холодного. Вальцевание представляет собой шновидность процесса продольной периодической прокатки и заключается в голучении профилированных деталей в фигурных ручьях деформирующего шструмента, устанавливаемого на валках, ,вращающихся навстречу друг [ругу.

Процесс горячего вальцевания, хорошо зарекомендовавший себя при зготовлении заготовок под последующую штамповку, для получения ачественных титановых лопаток тонкого сечения существенно осложнен и вязан с высоким расходом дорогостоящих сплавов ввиду их низкой ластичности и теплопроводности, активного взаимодействия с газами при агреве.

Холодное вальцевание лопаток из титановых сплавов, из-за высоких ребований к точности штампованных заготовок под вальцевание, ыполняется за несколько переходов и имеет высокую трудоемкость зготовления и длительный производственный цикл.

Перечисленные выше недостатки сдерживают широкое применение зльцевания при изготовлении лопаток компрессора ГТД из титановых иавов. Поэтому важной задачей является разработка процесса вальцевания гтановых лопаток, свободного от перечисленных недостатков и одновременно 5еспечившощего все преимущества .свойственные процессу вальцевания, как шому из прогрессивных способов формообразования профиля пера.

Цель работы. Разработка технологии, создание и внедрение оборудования ш вальцевания лопаток из титановых сплавов с применением [ектроконтактного нагрева.

В соответствии с поставленной целью, на основании анализа современной состояния изучаемого вопроса, в работе решались следующие задачи:

1. Теоретическое исследование процесса вальцевания титановых лопаток электроконтактным нагревом.

2. Экспериментальное определение оптимальной технологической схем! повышения пластичности титановых сплавов.

3. Разработка принципиальной схемы нагрева лопаток при вальцевании.

4. Экспериментальные исследования температурных полей пера лопаток пр различных режимах нагрева.

5. Исследование качества поверхности и металлографических характеристик вальцованных лопаток

6. Разработка конструкции и изготовление установки для вальцевания электроконтактным нагревом.

7. Разработка и внедрение в производство технологического процесс вальцевания лопаток из титановых сплавов с электроконтактным нагревом.

Научная новизна. Определены закономерности пластическог деформирования с учетом полей распределения температур по перу лопатю позволяющие рассчитать электрические и временные характеристики процесс нагрева в зависимости от геометрических параметров деталей и физически характеристик материала.

Разработана методика расчета диапазона температур нагрева пр вальцеваниии пера лопаток, обеспечивающих требуемую точность и качесп обработки.

Разработана схема нагрева лопаток электроконтактным способо! обеспечивающая заданное поле температур по перу лопатки.

Новизна технических решений, разработанных на основе теоретических экспериментальных исследований подтверждается авторскт свидетельствами (А.с. 1612434, а.с. 1751930)

Практическая ценность. Разработаны технологические рекомендаци I расчету параметров технологического процесса вальцевания электроконгактным нагревом лопаток из титановых сплавов с высотой пера, 100 мм.

Предложен и разработан технологический процесс с применена вальцевания с электроконгактным нагревом в качестве основ» формообразующей операции производства лопаток из труднодеформируем! титановых сплавов, что позволило получить высокую точное геометрических размеров и требуемое качество материала деталей.

Разработаны, изготовлены и внедрены в серийное произведет промышленные образцы установок для вальцевания с электроконтактш нагревом.

Реализация работы. Результаты исследований диссертационной работы внедрены в производство на Казанском моторостроительном производственном объединении при изготовлении лопатки 8 ступени ротора компрессора изделия 079. Внедрение позволило снизить трудоемкость изготовления лопаток из титановых сплавов на 35%, уменьшить объем ручных работ по доводке элементов профиля пера на 40%,повысить КИМ до 0,4. Годовой экономический эффект от внедрения результатов выполненной работы составил 92300 рублей.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы на Уфимском и Рыбинском моторостроительных производственных объединениях, на которые переданы и находятся на стадии внедрения промышленные образцы установок для вальцевания лопаток с электроконтактным нагревом.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на двух международных, одной Всероссийской, одной отраслевой, четырех зональных научно-технических конференциях. В полном объеме работа докладывалась на итоговых научно-технических конференциях КГТУ им.А.Н.Туполева, научно-технических советах Казанского моторостроительного производственного объединения, Казанского НИИД, расширенном заседании кафедры " Технология производства двигателей" КГТУ им.А.Н.Туполева.

Публикации. По результатам исследований опубликована одна монография, 10 научных статей и тезисов докладов, получено два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 116 наименований и содержит 130 страниц машинописного текста, 11 таблиц, 55 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности и основные положения диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ существующих методов вальцевания пера. Показано ответственное назначение лопаток в двигателях нового поколения, требующее высокой точности геометрических размеров и качества материала пера. Анализ литературных источников показал, что одним из прогрессивных технологических процессов формообразования пера лопаток является вальцевание. Вальцевание лопаток из титановых сплавов не получило широкого применения в производстве из-за низкого коэффициента деформации, ограниченной технологической пластичности титана в холодном

состоянии. Создаваемые вновь титановые сплавы, обладающие наряду с требуемыми прочностными эксплуатационными свойствами, повышенной технологической пластичностью при вальцевании, например ВТ-33, по ряду причин не были рекомендованы для внедрения в серийное производство.

Вопросам интенсификации пластического деформирования, в процессе вальцевания посвящены работы А.П.Атрощенко, Б.А.Калачева, Б.С Митина, И.Ф.Корнета , В.П.Егорова, В.М.Лебедева, Б.А.Рогожина, Ш.Д.Кошаева, В.П.Ваганова, Т.Г.Намичеишвили, С.Г.Прозорова, К.М.Климова, П.А.Каморкина, И.А.Павлова и др..

В работах Б.А.Калачева, Б.С.Митина, В.Д.Талалаева рассматривается возможность повышения пластичности титана методом водородного пластифицирования.

Процессу горячего вальцевания титановых лопаток, сущность которого заключается в нагреве заготовки в печи до температуры порядка 900 С, обеспечивающей высокие пластические и низкие прочностные характеристики, переносе и установке в вальцовочный стан и последующем вальцевании, посвящены работы А.П.Атрощенко, В.М.Лебедева, А.М.Матросова, В.П. Ваганова, Б.А.Рогожина, В.С.Головчанского.

Изотермическое вальцевание , представляющее собой совмещенный процесс вальцевания и нагрева заготовки за счет выделения тепловой энергии от пропускания электрического тока через деформирующий инструмент, подробно рассмотрено в работах И.А.Павлова, Ш.Д.Кошаева, С.Г.Прозорова, П.А.Каморкина, К.М.Климова, И.Ф.Корнета. Условия деформирования в данном методе приближаются к изотермическим, хотя температура деформирующего инструмента и не. достигает температуры лопатки. К достоинствам процесса следует отнести возможность обеспечения практически любой степени деформации, получения профиля пера лопаток любой толщины.

На основании проведенного анализа определена основная цель работы и сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическому изучению процесса вальцевания с электроконтактным нагревом. Температурное поле пера лопатки при вальцевании аналитически описывается теплофизическими уравнениями. Вальцевание нагретой лопатаи имеет сложный характер, поэтому при математическом описании тепловых процессов следует применять ряд допущений: В работе используется упрощенная математическая модель реального процесса вальцевания нагретых электроконтактным способом лопаток из титановых сплавов.

Уравнение теплового баланса элементарной поверхности детали с/X с учетом тепловых потерь конвекцией, лучеиспусканием и контакта свалками имеет следующий вид:

С^й-<к(тп-Тер) Рс/хг/е -

где С -удельная теплоемкость материала; У -плотность материала, -площадь элементарной поверхности; Тп^Тир, /3/ I[ -соответственно температуры охлаждаемой поверхности, окружающей среды, прокатываемого материала, плоскости контакта между соприкасающимися телами; С/ -сила тока, £ -электрическое сопротивление нагреваемого участка; -время

нагрева; -соответственно коэффициенты теплоотдачи при

конвекции и между поверхностью обрабатываемого материала и инструмента;

Р -периметр заготовки; Со -коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; £ -степень черноты излучающего материала, -площадь контакта.

Значительные тепловые потери при вальцевании на разогрев валков требуют тщательного расчета параметров взаимодействия, в частности площади контакта деформирующего инструмента - вачьцовочных вставок- и лопатки. Определение площади контакта осуществлено на основе упрощенной математической модели пластического деформирования металла при вальцевании.

Основные допущения при математическом моделировании процесса пластической деформации металла при вальцевании (рис.1);

Схема процесса пластической деформации металла

-в областях \л/у и сплошная среда перемещается как упругое

твердое тело;

-упругие деформации в области 2) незначительны и ими можно пренебречь !з-за развитого пластического течения в большей части этой области;

-в области 1) векторное поле скорости пластического течения является соленоидальным безвихревым, т.е.

го1 У--0

рассматриваемые скалярные, векторные и тензорные поля регулярны в области 2) ;

течение в области ~3> отвечает общим закономерностям теории процессов малой кривизны;

вся механическая работа пластической деформации металла переходит в тепло;

справедлива гипотеза пропорциональности девиаторов напряжения и скорости деформации.

При этих допущениях динамические, кинематические, деформационные и тепловые характеристики процесса пластической деформации металла связаны между собой следующими математическими зависимостями: -уравнение движения

= (3)

где 7? -тензор напряжений; -плотность сил тяжести.

-физические уравнения связи напряженного и деформированного состояния металла ^ _

Йк -бЛк = — ¿¿к (4)

где б^'к -компоненты тензора напряжений; -среднее нормальное

напряжение в точке деформируемой среды; Т -интенсивность касательных напряжений; Н -интенсивность скоростей деформации сдвига; ¿/^компоненты тензора скоростей деформации; с, К -индексы по осям декартовых координат, -кинематические соотношения:

|с'к ^°>Ь[п>Х< (5)

уравнения теплопроводности:

Математическую модель процесса, описываемую уравнениями(2)-(6) можно свести к системе уравнений:

d У/

где

J-T/и

vfj.

(7)

cp

Л ЛЭ)<i

\ de J_ \jr ' c.j,

-связь между интенсивностью касательных напряжений Т и интенсивностью скоростей деформации сдвига Н.

Однако точное решение системы уравнений (7) связано с непреодолимыми трудностями. Поэтому общую задачу математического моделирования процесса вальцевания представляют комплексом базовых моделей' по определенным приближениям, делающим возможным ее реализацию. При этом определяемые теоретические параметры процесса вальцевания должны быть близкими к имеющимся на практике.

Для определения напряженно-деформированного состояния очага деформации в процессе вальцевания была выбрана математическая модель со следующими допущениями:

-процесс считается двухмерным, изотермическим; -в зоне контакта валка с металлом задано условие прилипания; -деформации считаются достаточно малыми; -деформациями валка, как упругого тела, пренебрегаем. Все эти допущения позволили выбрать за основу пакет программ "Master plast",разработанный в МВТУ им.Баумана и предназначенный для решения упруго-пластических задач плоского деформированного, плоско-напряженного состояний и осесимметричной задачи методом конечных элементов в форме метода перемещений (рис.2 и 3).

Ууи

Злелгенп/

Рис.2. Рис.3.

Исходная область. Деформированная область.

Пакет программ "Master Plast" был доработан для решения задачи 1альцевания в плоской постановке и дополнен предпроцессором (программа »стоматического разбиения области на конечные элементы) и постпроцессором программа визуализации результатов расчетов на экране дисплея).

Одшш из наиболее важных этапов решения задач методом конечных элементов (МКЭ) является построение сеток для областей произвольной конфигурации. В связи с этим, эффективность любого пакета программ, реализующих МКЭ, во многом зависит от уровня автоматизации формирования конечноэлементной сетки, позволяющего , кроме значительной экономии труда и средств, увеличить число разнопараметрических оптимизационных исследований, повысить точность счета, обусловленную степенью регулярности сетки, а также исключить ошибки в кодировке графической информации.

Эту задачу решает программа предпроцессорной подготовки данных "АиТОРЕ".

Для дискретизации области были использованы двумерные 8-ми узло-ловые квадратичные элементы, которые характеризуются тем, что позволяют описывать криволинейные границы области даже при сравнительно небольшом числе элементов(рис.4 ) Рис.4,

Квадратичный восьмиузловой элемент

Полученная информация о напряженно-деформированном состоянии металла в процессе вальцевания при заданных граничных и начальных условиях позволяет качественно и количественно оценить поведение очагг деформации при изменении соответствующих условий.

Таким образом, определение площади очага деформации осуществляется пс границе возникновения остаточных напряжений сжатия. Численное значение площади деформации(контакта валков с деталью) далее используется прг решении уравнения (1) с помощью персональных средств вычислительной техники по специально разработанной программе.

На рис.5 представлены результаты теоретических расчетов температурь различных точек поверхности пера лопатки, с учетом технологически?

а

Рис.5.

Теоретические расчеты температурных полей пера лопатки.

По результатам теоретических исследований можно сделать вывод о том, что режимы нагрева во многом определяют равномерность температурного поля пера лопатки.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процесса вальцевания с электроконтактным нагревом. Исследования проводились на наиболее распространенных в лопаточном производстве сплавах ВТЗ-1 и ВТ-8.

Была разработана схема повышения пластичности титановых сплавов при вальцевании, которая достигается за счет предварительной термообработки и нагрева непосредственно перед вальцеванием до определенной температуры.

Для получения повышенных пластических свойств материала за счет предварительной термообработки, стандартные образцы из сплава ВТЗ-1 подвергались испытаниям на растяжение, а натурные образцы из сплава ВТ-8 -на кручение. В результате была разработана методика определения благоприятных, для качественного вальцевания, режимов термообработки, заключающаяся в нагреве штампованных заготовок лопаток в среде очищенного аргона до различных температур области закалки, в выдержке и охлаждении в воду.

Исследования с целью определения нижнего предела температуры нагрева непосредственно перед вальцеванием проводились на стандартных гладких образцах, термообработанных на максимальную пластичность, при различных температурах нагрева. Определялись механические свойства, характеризующие пластические ) и прочностные(б*,бт-) характеристики

материала. В результате проведенных исследований было установлено, что пластичность титановых сплавов является удовлетворительной для вальцевания при нагреве лопатки до температуры не ниже Т=0,15Тпл., где Тпл.-- температура плавления материала.

В ходе выполнения работы была разработана принципиальная схема нагрева лопаток при вальцевании (а.с. №1612434), отличающаяся от используемых в настоящее время в отрасли (рис.6).

Рис.6.

Принципиальная схема нагрева.

К заготовке лопатки 1, установленной в узле зажима 2, при помощи медных гибких шин 3 подводится электрический ток от силового трансформатора 4. Нагрев заготовки происходит за счет теплового эффекта от пропускания через нее электрического тока При достижении заготовкой требуемой температуры происходит отключение нагрева и лопатка обжимается деформирующим инструментом - вальцовочными вставками 5.

Преимущества данной схемы нагрева:

-очень , высокая скорость нагрева, что позволяет нагревать деталь до высокой температуры за короткий промежуток времени и, следовательно, исключить появление альфированного слоя на поверхности пера лопатки;

-время переноса нагретой детали, установленной в узле зажима, в зону деформации мшшмальное( 1...2с.), что исключает подстужившше лопатки и нестабильность температурного поля пера;

-нагрев пропусканием электрического тока вдоль пера лопатки значительно уменьшает неравномерность ее нагрева, что обеспечивает снижение прочности и повышение пластичности по всей длине.

В процессе выполнения работы была создана экспериментальная установка, электрические параметры которой рассчитывались исходя из требования достижения заготовкой температуры, необходимой для качественного вальцевания за относительно короткий промежуток времени.

С целью подтверждения полученных результатов по повышению пластичности за счет предварительной термообработки и нагрева до температуры не ниже Т= 0,15Тпл., а также определения верхнего предела температуры нагрева, обеспечивающей требуемые геометрические и металлографические характеристики деталей, были проведены экспериментальные исследования процесса вальцевания лопаток при температурах нагрева от 20 °С до 800 °С. Анализ результатов экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о том, что для получения качественных деталей методом вальцевания с электроконтактным нагревом, необходимо нагрев лопаток производить до температуры Т=(0,15тО,4)Тпл.. Указанный температурный интервал нагрева для титановых сплавов является оптимальным с точки зрения получения качественных деталей, т. к при этой температуре происходит значительное снижение прочности и повышение пластичности, и, как показали экспериментальные исследования качества поверхностного слоя деталей, при нагреве отсутствует взаимодействие с газами и, следовательно, альфированный слой. Кроме того, в деформируемых титановых сплавах, нагретых до указанной температуры, одновременно с процессом упрочнения протекает процесс динамического разупрочнения, что снижает деформационный наклеп, в результате чего повышается качество поверхности (исключается появление трещун), при этом поверхность пера не требует ручной доводки.

Результаты экспериментальных исследований температурных полей при вальцевании подтверждаются и теоретическими исследованиями процесса

нагрева. Погрешность между полученными результатами составляет не более 16 %, что является приемлемым для решения подобных технических задач.

Четвертая глава посвящена разработке и освоению технологического процесса вальцевания с электроконтактным нагревом, как основной формообразующей операции при изготовлении лопаток из титановых сплавов для газотурбинных двигателей.

Выполненный в настоящей работе комплекс теоретических и экспериментальных исследований процесса вальцевания с электроконтактным нагревом позволил получить необходимые данные для разработки технологического процесса с использованием данного метода в качестве основной формообразующей операции при производстве титановых лопаток с высотой пера до 100мм. Предлагаемый процесс обеспечивает необходимые геометрические и металлографические характеристики лопаток.

С целью осуществления разработанного технологического процесса была создана установка для вальцевания электроконтактным нагревом на базе промышленного выпускаемого стана ВС-2.

Основные технические характеристики установки: -габариты пера вальцуемых лопаток, (шах ), мм: высота 100

хорда 50

толщина 5

-скорость нагрева, °С/с 10... 100

-температурный интервал нагрева, "С 20... 1000 -скорость вальцевания, мм/с 0...60

-режим работы - полуавтоматический

В процессе промышленного производства была обработана партия лопаток из титанового сплава ВТ-8 с высотой пера до 100 мм. Исходные размерами пера обрабатываемых деталей: высота - 62мм, хорда - 28мм, толщина - 3,5мм. Для вальцевания использовалась партия лопаток, прошедшая предварительную термообработку на максимальную пластичность при температуре Т=880 °С. Перед вальцеванием были проведены экспериментальные исследования температурных полей пера лопатки в зависимости от режимов нагрева. Результаты экспериментальных исследований подтвердили полученные ранее результаты теоретических расчетов выполненых по методике, разработанной в процессе выполнения данной работы. Лопатки вальцевались при температуре нагрева Т=450°С с коэффициентом степенью обжатия к=1,25*1.51.Изучение качества полученных деталей позволило сделать вывод о том, что геометрические размеры, макро -и микроструктура лопаток, отвальцованных с применением электроконтактного нагрева при температуре 450 °С .находящейся в диапазоне температур Т=(0,15т0,4)Тпл., согласно а.с 1612434, соответствует техническим условиям

составляет С =441 10 Па на базе N=2 10 циклов, что удовлетворяет условиям

эксплуатации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований, конструкторских и технологических работ по вальцеванию с электроконтактным нагревом показал возможность получения требуемых стабильных характеристик качества материала и геометрических размеров пера лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов.

2. Разработана математическая модель пластического деформирования пера заготовки лопатки при вальцевании и расчетным путем получены температурные поля различных участков поверхности лопатки в зависимости от технологических параметров процесса.

3. Разработана методика расчета температурных полей пера лопатки в зависимости от геометрических параметров детали и физических характеристик материала.

. 4. Определен диапазон температуры нагрева пера лопаток при вальцевании Т=(0,15:0,4)Тпл., при котором происходит значительное снижение прочности и повышение пластичности, что обеспечивает получение качественных деталей.

5. Разработана принципиальная схема нагрева лопаток при вальцевании, обеспечивающая получение расчетных температурных полей пера лопатки, что и было доказано проведенными экспериментальными исследованиями.

6. Созданная в процессе выполнения работы установка отвечает условиям серийного производства, надежна в работе, проста в эксплуатации и является одним из прогрессивных видов оборудования для обработки лопаток методом пластического деформирования.

7. На основе проведенных исследований и экспериментов разработан и внедрен в производство технологический процесс вальце ваши с электроконтактным нагревом лопаток из титанового сплава ВТ-8

8. Установлено, геометрические параметры, макро-и микроструктура, предел выносливости отвальцованных лопаток из сплава ВТ-8 соответствуют предъявляемым техническим условиям.

9. Внедрение технологического процесса вальцевания с электроконтакгным нагревом позволило снизить трудоемкость изготовления на 35%, повысить коэффициент использования металла до 0,4, уменьшить объем ручных работ на 40%. Экономический эффект от внедрения данного процесса составил 92300 рублей в ценах 1991 года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Буздаев Ф.В., Степанцов Г.К., Цапыгин Г.А. Стимулированное финишное вальцевание лопаток из титановых сплавов// Новые технологические процессы ,оборудование и инструмент в лопаточном прЪизводстве: Тез.докл. отрасл.науч.-техн.конф. Куйбышев. 1990.

2. Буздаев Ф.В., Цапыгин Г.А., Юнусов Ф.С. Вальцевание лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов // КАИ - 60 лет: Тез. докл.науч.-техн. конф. Казань. КАИ,1992.

3. Буздаев Ф.В., Цапыгин Г.А., Юнусов Ф.С. Теплофизика процесса финишного вальцевания титановых лопаток ГТД с электронагревом .// Теплофизика технологических процессов : Тез. докл. УТП конференции. -Рыбинск РАТИ, 1992. -с. 178.

4. Буздаев Ф.В., Игнатович Н,И., Щербатов А.И., Юнусов Ф.С. Исследование температурных полей заготовок лопаток из титановых сплавов при вальцевании с электронагревом// Технологические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей : Тез. докл. науч.-техн.конф. Казань. КАИ ,1993.

5. Щербатов А.И., Буздаев Ф.В., Юнусов Ф.С. Электростимулированное вальцевание однозамковых компрессорных лопаток ГТД //Технологические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей : Тез.докл. науч.-техн. конф. Казань. КГТУ ,1993.

5. Буздаев Ф.В., Юнусов Ф,С. Установка для вальцевания с электронагревом лопаток компрессора ГТД // НИЧ-50 лет : Тез. докл. науч.-техн. конф,-Казань. КГТУ, 1994.-c.52.

Буздаев Ф.В., Юнусов Ф.С., Щербатов А.И., Игнатович Н.И. Определение оптимальной температуры нагрева титановых лопаток ГТД при вальцевании // Технологические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей: Тез. докл. науч.-техн. конф. Казань.КГТУ, 1994.-е. 11. Буздаев Ф,В., Юнусов Ф.С. Математическая модель процесса вальцевания лопаток компрессора ГТД из труднодеформируемых сплавов // Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении. Модель-проект-95 : Тез. докл. международ, науч.-техн. конф. Казань. КГТУ,1995.-с.119.

. Буздаев Ф.В., Юнусов Ф.С. Финишное вальцевание лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов с электроконтактным нагревом// Прогрессивные методы обработки деталей летательных аппаратов и двигателей : Межвуз. сб. науч. тр. -Казань.КГТУ, 1995,-с.46-49.

ХХалимулли P.M., Буздаев Ф.В., Газизуллин K.M. Прогрессивные методы обработки лопаток ГТД. -М. Технический прогресс и повышение квалификации в авиационной промышленности, 1997. -230с.

I.Юнусов Ф.С., Буздаев Ф.В.,Щербатов А.И. Изготовление лопаток компрессора АГТД из труднодеформируемых сплавов методом электростимулированного вальцевания // Молодая наука -новому

тысячелетию: Тез. докл. международ, науч.-техн. конф. Н. Челны. КамПИ,1996.-с.126.

12.А.с. 1612434 (СССР,) Способ изготовления лопаток из титановых сплавов/

Г.К.Степавдов,Ф.В.Буздаев3В-А.Корнеев,М.Н.Тутунин.-1988.

13.А.С.1751930 (СССР) Способ изготовления лопаток/ А.И.Щербатов, Г.К.Степанцов, Г. А.Цапыгин,М.Н.Тутунин,Ф.В.Буздаев,-1991.

/7- п.О

г

U-/

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА

КАЗАНСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИИ И ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ

»

На правах рукописи

БУЗДАЕВ ФЕДОР ВАСИЛЬЕВИЧ

ВАЛЬЦЕВАНИЕ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ

05. 07. 05 - Тепловые двигатели летательных аппаратов 05. 07. 04 - Технология производства летательных аппаратов

«

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор Юнусов Ф.С.;

доктор технических наук, профессор Халимуллин P.M.

Казань 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 4

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................................6

1.1. Обзор методов вальцевания лопаток............................................6

1.2. Цель и задачи исследования........................................................18

1.3. Пути решения поставленных задач..............................................19

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ВАЛЬЦЕВАНИЯ С ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ... 21

2.1. Постановка задачи......................................21

2.2. Математическая формулировка задачи пластического деформирования металла при вальцевании.................23

2.3. Разработка математической модели процесса пластического деформирования металла при

вальцевании...........................................31

2.4. Анализ и обобщение результатов теоретических исследований..........................................35

Выводы..................................................47

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ВАЛЬЦЕВАНИЯ С ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ. .. 48

3.1. Определение оптимальной технологической схемы

повышения пластичности титановых сплавов.............. .48

3.1.1. Определение зависимости механических

свойств сплавов ВТЗ - 1 и ВТ - 8 от

температуры закалки...............................48

3.1.2 Определение механических свойств сплавов ВТЗ - 1 и ВТ - 8, термообработанных на максимальную пластичность при различных

температурах нагрева...............................53

3.1.3. Выводы по результатам исследований................60

3.2. Разработка принципиальной схемы нагрева лопаток и расчет электрических параметров установки для вальцевания...........................................60

3.3. Экспериментальное исследование температурных

полей пера лопаток.....................................66

3.4. Вальцевание лопаток с электроконтактным нагревом

и анализ полученных геометрических размеров пера.........72

3.5. Анализ качества материала вальцованных лопаток...........72

3.5.1. Металлографические исследования..................75

3.5.2. Исследование остаточных напряжений...............84

Выводы..................................................84

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В

ПРОИЗВОДСТВО ЛОПАТОК ГТД.........................87

4.1. Конструктивное исполнение промышленной установки для вальцевания с электроконтактным

нагревом..............................................87

4.2. Освоение серийного техпроцесса вальцевания лопаток ГТД из сплава ВТ-8 с применением электроконтактного нагрева...............................................93

4.2.1. Исследование электроконтактного нагрева под вальцевание......................................94

4.2.2. Вальцевание штампованных заготовок, имеющих отклонение от допуска 0,2 - 0,6 мм..................102

4.2.3. Металлографические исследования вальцованных лопаток.........................................104

4.2.4. Усталостные испытания вальцованных лопаток.......104

4.3. Технико - экономические показатели.....................107

Выводы.................................................107

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................................108

ЛИТЕРАТУРА.. .................................................109

ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс в современном авиадвигателестроении заключается в изыскании и совершенствовании технологических процессов изготовления деталей ГГД в целях улучшения их качества, долговечности, надежности в работе, а также уменьшения трудоемкости их изготовления. Особенно это касается лопаток компрессоров, наиболее массовых, высоконагруженных деталей, качественное изготовление которых во многом определяет газодинамические характеристики и ресурс двигателей.

Во вновь создаваемых двигателях происходит ужесточение требований к точности выполнения профиля и шероховатости поверхности пера лопаток. В то же время появляются всё более совершенные, с точки зрения прочности, жаро- и коррозионной стойкости, материалы для компрессорных лопаток, качественная обработка которых традиционно существующими способами значительно затруднена.

Одним из прогрессивных способов формообразования профиля пера лопаток из труднодеформируемых сплавов, в частности титановых, является процесс вальцевания - горячего и холодного.

Процесс горячего вальцевания, хорошо зарекомендовавший себя при изготовлении заготовок под последующую штамповку, для получения качественных титановых лопаток тонкого сечения существенно осложнен и связан с высоким расходом дорогостоящих сплавов ввиду их низкой пластичности и теплопроводности, активного взаимодействия с газами при нагреве.

Холодное вальцевание лопаток из титановых сплавов, из-за высоких требований к точности штампованных заготовок под вальцевание, выполняется за несколько переходов и имеет большую трудоемкость изготовления и длительный производственный цикл.

Исходя из вышесказанного, важной задачей является разработка экономичного, по сравнению с существующими, технологического процесса изготовления лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов с применением вальцевания в качестве основной формообразующей операции. •

В данной работе выполнен комплекс исследовательских, конструкторских и технологических разработок по созданию и внедрению в производство процесса вальцевания титановых лопаток с применением электроконтактного нагрева, позволяющего получать качественные детали.

В первой главе дается краткий обзор литературы, наиболее близко относящейся к теме диссертационной работы .определяются цель и ставятся задачи исследования.

Во второй главе исследуются теоретические вопросы вальцевания с электроконтактным нагревом. Получено уравнение теплового баланса элементарной поверхности детали с учетом тепловых потерь конвекцией, лучеиспусканием и контакта с валками. Разработана математическая модель

пластического .деформирования заготовки при вальцевании. Расчетным путем получены температурные поля различных участков поверхности лопатки в зависимости от технологических параметров процесса.

В третьей главе, в результате проведения экспериментальных исследований, определена оптимальная технологическая схема повышения пластичности титановых сплавов, разработана принципиальная схема нагрева лопаток при вальцевании, определен температурный интервал нагрева лопаток при вальцевании, получены зависимости распределения температуры по перу лопаток от режимов нагрева. Исследованы качество материала и геометрические размеры лопаток после вальцевания.

В четвертой главе, посвященной внедрению в производство процесса вальцевания с электроконтактным нагревом, дано описание конструкции промышленной установки, приведены результаты металлографических исследований и усталостных испытаний на подтверждение предела выносливости.

Новизна предложенных технологических решений подтверждена наличием изобретений. Годовой экономический эффект от внедрения процесса вальцевания с электроконтактным нагревом составил 92300 рублей в ценах 1991 года.

ГЛАВА I

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор методов вальцевания лопаток.

В двигателях нового поколения лопатки компрессора (рис. 1.1) характеризуются тонким профилем пера и, соответственно, малой толщиной входной и выходной кромок, резким ужесточением допускаемых отклонений на элементы профиля пера, изготавливаются из труднодеформируемых материалов (рис .1.2). Именно поэтому чрезвычайно важным становится выбор способов обработки профиля пера, обеспечивающих высокую точность изготовления основных элементов профиля, значительное уменьшение трудоемкости изготовления, сокращение объема ручных доводочных работ.

В общей трудоемкости изготовления лопаток большой объем (до 45 %) занимают полировальные работы, связанные с доработкой сопряжения, доводкой профиля пера, скруглением радиуса кромок, при этом трудоемкость ручной доводки профиля пера составляет 25-40 % всего объема полировальных работ.

Наиболее распространенной схемой изготовления лопаток является штамповка с припуском от 0,7 до 2,0 мм, фрезеровка или электрохимическая обработка с последующей шлифовкой и ручной доработкой профиля пера. Низкий коэффициент использования металла, высокая трудоемкость изготовления, значительный объем ручных доводочных работ, присущие этим методам изготовления лопаток ставят задачу по изысканию и разработке более совершенных технологических процессов /14/.

Одним из прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих получение лопаток без припуска по перу на механическую обработку, является точная штамповка на винтовых прессах с последующим холодным вальцеванием на специальных установках/ 13, 26, 53, 59, 76 /.

Вальцевание представляет собой разновидность процесса продольной периодической прокатки и заключается в получении профилированных деталей в фигурных ручьях деформирующего инструмента, устанавливаемого на валках, вращающихся навстречу друг другу (рис. 1.3).

В отрасли холодное вальцевание используется при изготовлении широкой номенклатуры лопаток компрессора.

Применение процесса холодного вальцевания обеспечивает изготовление лопаток без припуска по перу на механическую обработку и, как следствие этого, снижение трудоемкости изготовления, снижение объема ручных доводочных работ и расхода металла. При этом исключается фрезерование и шлифование пера, увеличивается стабильность размеров и

A<L.

AiL

Aet

Сеч. Ai~A<...A?~A

СЕЧЕНИЕ С max G Сг OL

А?-А7 2,Si /,00 0,56 9o/4'

Ав - Ас 2,13 0,90 0,53 6oго'

As-As 166 0,90 0,45 /°52'

Ali - Ац /66 Û,S5 0,4/ -/°4/'

Аз - Аз /,54 QÔ5 0,39

Az -Az 0/ aso 0,37 - Г20'

A i-Ai í*7 0,60 0,37 -âW

Рис. 1.1. Чертеж лопатки компрессора ГТД.

/ ^

Рис. 1.2. Марки материалов лопаток компрессоров 1 - титановые сплавы; 2 - жаропрочные стали; 3 - никельсодержащие сплавы; 4 - алюминевые сплавы

а)

в)

6)

г)

Рис. 1.3. Схема вальцевания: а) исходное положение; б) начало вальцовки; в) установившийся процесс вальцовки; г) окончание процесса.

формы пера лопатки и почти полностью исключается его ручная полировка. Коэффициент использования металла повышается в 1,5-3,0 раза, а трудоемкость изготовления лопаток сокращается на 30-70 %.

Отличительными особенностями применяемых технологических процессов являются способы подготовки заготовок под холодное вальцевание и осуществления этого процесса. Последние зависят от конструкции установок, используемых для холодного вальцевания.

При оценке технологических процессов с применением холодного вальцевания следует учитывать факторы, влияющие на точность вальцованных лопаток / 9, 26, 34, 45, 52, 74, 75 /:

- форму и точность заготовок под холодное вальцевание;

- кинематические схемы установок для вальцевания и их жесткость;

- точность и методы изготовления ковочных штампов и вставок для холодного вальцевания.

В зависимости от габаритных размеров и конструктивно технологических особенностей разработаны следующие типовые технологические схемы изготовления лопаток:

- выдавливание, калибровка, вальцевание;

- точная объемная штамповка, холодное вальцевание;

- прокатка лопаточного профиля постоянного сечения, разрубка, гибка;

Для осуществления процесса холодного вальцевания созданы и

эксплуатируются на предприятиях отрасли установки ВС-2, УВЛ-100-7М, УВЛ-100-6.

За рубежом процесс холодного вальцевания используется при производстве мало- и среднегабаритных лопаток из сталей и жаропрочных сплавов / 26 /. Так, фирмы "General electric", "Solar", "Avco" и другие, изготавливают холодным вальцеванием лопатки из сталей АМ-350, 17-4РН, сплава "Инконель-718" и т.д.

Разработанные в последние годы сплавы на основе титана получили широкое распространение в отрасли благодаря высокой прочности, жаро- и коррозионной стойкости при относительно низком удельном весе / 26, 63, 104 /. Холодное вальцевание лопаток из титановых сплавов возможно, однако из-за ограниченной технологической пластичности этих сплавов при холодной обработке давлением, низкого коэффициента деформации, к титановым заготовкам под вальцевание предъявляются более высокие, по сравнению с никелевыми сплавами и жаропрочными сталями, требования по точности и, поэтому, требуется увеличенное количество переходов вальцевания. Получение штампованных заготовок с высокой точностью ограничено возможностями кузнечного производства, что влечет за собой введение дополнительных операций по доводке элементов профиля пера, например, травления.

В работах / 26, 52, 75, 76 / рассматривается технологический процесс изготовления титановых лопаток многопереходным вальцеванием.

Штампованные заготовки подвергают мерному травлению до получения размеров, удовлетворяющих условиям холодного вальцевания. Затем лопатки вальцуют за несколько переходов. Число переходов вальцевания зависит от величины припуска и допускаемой деформации для конкретного сплава (для ВТ8, например, <£ = 18%). Между переходами лопатки подвергают промежуточному отжигу для снятия наклепа и остаточных напряжений.

Применение операции травления и наличие неравномерности деформации при холодном вальцевании приводит к снижению предела усталостной прочности пера и, для её повышения, лопатки подвергаются упрочнению методом поверхностно-пластического деформирования. Недостатками процесса изготовления лопаток многопереходным вальцеванием является большая трудоемкость, длительный производственный цикл, значительный объем ручных работ, связанных с необходимостью обработки кромок и профиля пера в корневом сечении перед каждым переходом вальцевания.

Одним из путей решения проблемы вальцевания лопаток из титановых сплавов является создание сплавов, обладающих наряду с требуемыми прочностными эксплуатационными свойствами, повышенной технологической пластичностью при холодном вальцевании. Одним из таких сплавов является двухфазный сплав ВТ-33 /53, 99/, имеющий коэффициент деформации 40%. Однако несмотря на то, что технологический процесс изготовления лопаток из этого сплава точной штамповкой, горячим и холодным вальцеванием отработан, по ряду причин, в частности, из-за наличия дефицитных легирующих элементов (7л, Бп, Мо), отсутствия промышленных плавильных агрегатов - гарнисажных печей, необходимых для его выплавки, относительно низкой жаропрочности сплав не был рекомендован в серийное производство.

Работы в данном направлении велись и по пути улучшения химического состава уже имеющихся сплавов. Например, на основе ВТ - 8 был создан сплав ВТ - 8М. За счет изменения процентного содержания легирующих элементов ( Дв - от 7 до 6%, Мо - от 3,5 до 4%) количество • фазы - "а", наиболее благоприятной для холодного вальцевания увеличилось. Коэффициент деформации повысился по сравнению со сплавом ВТ8, но технологическая пластичность при холодном вальцевании оказалась недостаточно высокой для качественного изготовления деталей.

Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что технологическому процессу холодного вальцевания титановых лопаток присущ ряд недостатков, не позволяющих широко использовать данный процесс в отрасли. Необходимо проводить работы по изысканию методов и созданию средств интенсификации пластического деформирования в процессах вальцевания титановых сплавов.

В результате проведенного анализа научно-технической информации был выявлен ряд работ /42, 43, 53, 61, 71/, в которых исследованы вопросы интенсификации пластического деформирования в процессе вальцевания.

В работах рассматривается возможность повышения пластичности титановых сплавов методом водородного пластифицирования. Водородное пластифицирование титановых сплавов - перспективный способ повышения их технологичности при деформации, заключающийся в существенном увеличении пластичности и значительном уменьшении усилия деформации. В работе /42/ приводится гипотеза, согласно которой, водород в микромасштабах приводит не к охрупчиванию металла, а к интенсифицированию его пластичности в результате локального уменьшения из-за хемосорбции водорода сил межатомного взаимодействия в наиболее напряженных микрообъемах, что приводит к локальному облегчению разрыва связей.

Иными словами разрушение связей связано с адсорбционными эффектами и ослаблением сил связи. В работе /43/ рассматривается технологический процесс вальцевания титановых лопаток с применением водородного пластифицирования. Заготовку лопатки непосредственно перед вальцеванием подвергают травлению в среде плавиковой кислоты с целью насыщения поверх