Развитие процессов точной штамповки при производстве двигателей и турбоагрегатов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Соколов Алексей Викторович
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 13
Дополнительно
Уровень образования:
Аспирантура
Артикул: 617566.01.99
Тематика:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 35 УДК 621.762.001 DOI 10.12737/8141 РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССОВ ТОЧНОЙ ШТАМПОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДВИГАТЕЛЕЙ И ТУРБОАГРЕГАТОВ Соколов Алексей Викторович (доцент, к.т.н.) Забурдаева Татьяна Владимировна (инженер, к.т.н.) ФГБОУ ВПО "МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского" 121552, г. Москва, Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53. e-mail: petrovap@mati.ru Рассматриваются вопросы технологии формоизменения в многоразъемном штамповом инструменте, которая позволяет изготавливать рабочие колеса турбо машин по схеме "диск вместе с лопатками" с готовыми (бесприпусковыми) функцио нальными поверхностями и с заданными свойствами по направлениям действия мак симальных нагрузок при эксплуатации за счет направленности волокон. Предлагается классификация рабочих колес турбомашин по которой можно определить структуру технологического оборудования кузнечно-штамповочного производства. К современному авиационному двигателестроению предъявляются все более высокие требования, вызванные высокой теплонапряженностью, механической напряженностью, вибронапряженностью деталей, узлов и агрегатов ГТД, труднообрабатываемостью материалов, высокими требова ниями к точности изготовления, коррозионной стойкости. Эти и другие требования обуславливают применение самых сложных решений, что вы двигает технологию производства авиадвигателей в ряд инновационных направлений: определяющих технологический прогресс всего машино строения. Одним из инновационных направлений заготовительного кузнечно штамповочного производства является технология формоизменения в мно горазъемном штамповом инструменте, которая позволяет изготавливать рабочие колеса турбомашин по схеме "диск вместе с лопатками" с готовы ми (бесприпусковыми) функциональными поверхностями и с заданными
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 36 свойствами по направлениям действия максимальных нагрузок при экс плуатации за счет направленности волокон. Авиационная турбина поднялась в воздух в виде агрегата турбонад дува поршневого двигателя в 1918 году, разработка А. Рато, это событие поставило перед авиационными технологами ряд проблем по созданию и производству рабочих колес лопаточных машин, а именно агрегатов тур бонаддува поршневых двигателей. Эти проблемы актуальны до настоящего времени, так как турбоагре гаты находят широкое применение в авиадвигателестроении в виде: агре гатов турбонаддува на двигателях внутреннего сгорания; воздушных тур бостартерах; турбодетандерах; турбонасосах и других турбомашинах. В середине 30-х годов для высотных авиационных двигателей кон струкции А.Д. Швецова, А.А. Микулина, В.Я. Климова применялись агре гаты турбонаддува, рабочие компрессорные колеса которых штамповались в городе Кольчугино Владимирской области на паравоздушных молотах с уклонами семь градусов и большими напусками на механическую обра ботку (рис. 1, а), однако формоизменением в открытых штампах уже до стигалось частичное направление волокон в лопатках компрессорного ко леса. Во второй половине 30-х годов в Московском авиационном институ те (МАИ) при втором факультете была создана лаборатория по созданию конструкций и технологии производства газотурбинных двигателей, с ор ганизацией Московского авиационно-технологического института (МАТИ) в 1943 году, вопросы технологии перешли во вновь созданный ВУЗ. В конце 40-х годов учеными НИАТ и МАТИ было организовано на Ордена Ленина п/я 3, г. В-Салда, Свердловской области производство цельно штампованных колес компрессора (вентиляторных) из сплава АКЧ-1 на паровоздушном молоте с весом падающих частей 23 тонны.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением
37
Компрессорное (вентиляторное) колесо представляло составную
конструкцию: из двустороннего колеса П.8, из двух направляющих аппа
ратов П.12.
В Германии в конце 30-х – начале 40-х годов был разработан и изго
товлен гидравлический штамповочный пресс усилием 30000 т.с., смонти
рованный и запущенный в эксплуатацию в 1944 году. В документации
данного пресса имеются чертежи штампов и поковок вентиляторных колес
газотурбинных авиационных двигателей с минимальными уклонами и
припусками на механическую обработку.
а) б)
Рис. 1. Поковки колес вентиляторов, штампованные на молотах:
а) паровоздушный;
б) высокоскоростной.
С появлением машин ударного нагружения в США в 1955 году
(пневмомеханические машины), которые применяли в качестве энергоно
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 38 сителя газ высокого давления, дало возможным значительно снизить мас сы подвижных частей машины и ее габариты. На принципе использования газа высокого давления (вместо воздуха или пара) была изготовлена ма шина для высокоскоростного деформирования типа ДИНАПАК, которую впервые продемонстрировали в 1958 году. В ней в качестве энергоносите ля применяют сжатый до 150 атм азот, перепускаемый через систему кла панов и разгоняющий при этом массивную бабу (стессель) до 64,5 м/с. По следняя машина, созданная Glearing Division of Us Industry, имеет тот же принцип действия и отличается от предыдущей тем, что в ней установлены два подвижных элемента (стесселя и рамы разной массы), движущиеся од новременно навстречу друг другу, что делает эту штамповочную машину подобной бесшаботному молоту. В дальнейшем в качестве энергоносителя до давления 60 атм стали использовать сжатый воздух, а выше указанного давления азот, что позво лило отдать предпочтение при процессах формоизменения горячей объ емной штамповке и выдавливания, главным образом при изготовлении штамповок высокой точности. В нашей стране в Воронежском специальном конструкторском бюро кузнечного машиностроения был создан ряд кузнечных машин с газовым приводом различных мощностей, которые изготавливал Воронежский за вод КПО им. М.И. Калинина. Первый высокоскоростной молот марки М7352 с энергией 16000 кгм был установлен в Эникмаше, на базе которого сотрудниками ЭНИКМАШа и НИАТа по заданию Минавиапрома в середине 60-х годов были выполне ны хоздоговорные работы по разработке технологических процессов и штампового инструмента пяти наименований вентиляторных колес (по схеме "диск вместе с лопатками" прямым выдавливанием). Было отштам повано по 3-5 из алюминиевых сплавов колес каждого наименования, но в серийное производство данные разработки не были внедрены (рис. 1, б).
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 39 В США в 1964 году был запатентован способ изготовления цельно штампованных турбинных колес, в том же 1964 году в 12 номере журнала появилось сообщение автора Morgan K. "New technology in Turbine Wheel Production". Сообщение касалось производства цельноштампованных турбинных колес по схеме «диск вместе с лопатками» процесс на специализирован ном 8000 тонном горячештамповочном прессе, оборудованном специаль ными гидравлическими прижимами. В 1968 году группой ученых кафедры обработки металлов давлением Ленинградского политехнического института под руководством К.Н. Бого явленского и А.П. Атрошенко были начаты работы по исследованию воз можности изготовления штампованного диска с лопатками [4-5]. Вторая работа проведена в 1971 году − "Исследование и разработка технологии штамповки диска из жаропрочного сплава марки Эи437БУ" [9]. Одной из первых комплексных работ в области формоизменения в многоразъемном штамповом инструменте для рабочих колес турбоагрега тов была кандидатская диссертация автора, выполненная в 1976 году под руководством профессора В.Т. Мещерина и доцента С. С. Соловцова [9]. Выполненные в этой работе исследования поставили ряд важных научно-технических задач, без решения которых невозможно дальнейшее развитие данных технологических процессов. Серьезным препятствием для дальнейшего развития прогрессивного процесса формоизменения в многоразъемных штампах являются – отсут ствие теории, которая отражала бы реальную картину деформирования за готовки в многоканальных штампах и удовлетворяла требованиям практи ки, слабая изученность процесса, отсутствие методик построения техноло гического процесса изготовления точных поковок и конструирования штампового инструмента и средств механизации:
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 40 Отсутствие достоверных данных о механических, структурных и фи зических свойств металла цельноштампованных рабочих колес лопаточ ных машин. Отсутствие данных, по которым можно было установить экономиче скую целесообразность вновь создаваемых технологических процессов производства цельноштампованных колес лопаточных машин. Таким образом, прогресс в области формоизменения цельноштампо ванных колес в многоразъемном штамповом инструменте требует даль нейших исследований в теоретическом и прикладном плане. Первая попытка создания классификатора моноколес была осу ществлена в работе [1-2], в основу которой был заложен: конструктивный подход; функциональное назначение; геометрия лопаточного аппарата; га бариты поковки. Другим примером [6] является классификация монолитных колес, в основу которой легли конструктивные признаки, технологические особен ности и форма аэродинамических поверхностей лопаток и диска и гидро машин [7]. В данной работе классификация (табл. 1) базируется на особенностях течения деформируемого металла в процессе выдавливания, а значит на технологическом признаке [9]. Особенности межлопаточных пространств обусловливают конструк цию каналов многоразъемных штампов, применение тех или иных методов и средств производственных технологических процессов, что позволяет разделить перечисленные типы цельноштампованных колес на виды – от крытые и полузакрытые. Каждый вид колес в зависимости от формы и размеров элементов аэродинамических поверхностей лопаток и диска разделен на шесть групп. Тип колес А – радиальные, составляют 7 % от изученной номенкла туры ГТД и 100 % центробежных насосов. Особенностью их является уве
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 41 личение площади поперечного сечения межлопаточных каналов от входа к радиальному выходу. Поверхности лопаток радиальных колес описаны прямыми линиями или дугами сопряженных друг с другом окружностей, заданных в чертеже фиксированными радиусами. Профиль пера лопаток определен линейчатыми поверхностями, раз ворачивающимися на плоскость, что существенно упрощает технологиче ские схемы формоизменения. Преимущественное перемещение металла в каналах штампа – осевое (прямое и обратное выдавливание). Тип Б, вид 2, группы 2 и 3 и тип Е, вид 6, группа 9 – осевые колеса, лопатки которых выполнены радиально от ступицы, а межлопаточные ка налы открытые. Их число составляет 51 % от общего числа колес. Разно видность групп 2 и 3 осевых колес определяется различием геометриче ских форм аэродинамических поверхностей лопаток и ступиц (диска). Каждая классификационная группа осевых колес имеет присущие ей гео метрические особенности формы лопаток и формы ступиц. К группе 2 относятся поковки колес турбин с лопатками постоянного сечения, контур поверхности ступицы которых образован линейчатыми поверхностями, например коническими. Основными геометрическими па раметрами, характеризующими их форму, являются минимальный и мак симальный диаметры ступиц и угол конусности. К группе 3 относятся диагональные поковки моноколес, поверхность ступицы которых образована криволинейной образующей, имеющей вы пукло-вогнутую форму, заданную каркасом точек совокупности попереч ных и продольных сечений колеса. Особенность типа Е заключается в том, что заготовкой является кольцо. Классификацию по виду также дополняет технологический при знак – преимущественное перемещение металла в каналах – радиальное (боковое выдавливание).
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 42 Тип колес В, с технологическими особенностями вида 3 и тип колес Г, вид 4, группа 7 – радиально-осевые колеса. Их число составляет 42 % от общего числа колес. Группа 4 – моноколеса с полузакрытыми межлопаточными каналами и плоскими лопатками. Группа 5 – моноколеса с полузакрытыми межлопаточными каналами и лопатками, боковые поверхности которых описаны сложнофасонными пространственными поверхностями, не разворачивающимися на плос кость. Группу 6 составляют колеса с промежуточными лопатками. Рассматриваемый тип колес В – наиболее сложный, лопатки которых обладают признаками, характерными для лопаток предыдущих двух типов колес А и Б: радиальных и осевых, поэтому технологическая схема формо изменения поверхностей лопаток и диска наиболее сложна. Комбинация осевого (прямого, обратного) и радиального выдавливания в большинстве случаев требует применения специального разборного инструмента. Тип Д колес направляющих аппаратов – отдельный тип, поковки ко торого получаются аксиальным выдавливанием кольцевой заготовки. Межлопаточные каналы закрытые. Исходя из проведенной классификации можно определить структуру технологического оборудования кузнечно-штамповочного производства. Это гидравлические прессы, высокоскоростные молоты, гидровинтовые пресс-молоты, которые наиболее подходят для разъема разборных штам пов и подъема верхних половин для извлечения поковки вместе со встав ками с помощью выталкивателей.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 43 Таблица 1 Классификация цельноштампованных колёс. В Радиальные крыльчатки Б Осевые (заборники) А Радиальные (диффузоры) 3 Межлопаточные каналы полузакрытые Комбинированное выдавливание 2 Межлопаточные каналы открытые Боковое выдавливание 1 Межлопаточные каналы открытые Прямое выдавливание 6 С промежуточными лопатками 5 Поверхность лопаток пространственная сложнофасонная 4 Поверхность лопаток плоская 3 Поверхность ступицы сложнофасонная 2 Поверхность ступицы линейчатая 1 Поверхность лопаток линейчатая Тип Вид Группа Конструктивные признаки Технологические особенности Форма аэродинамической поверхности Эскиз типового представителя 1 2 3 4
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 44 Таблица 1 (продолжение) 1 2 3 4 Г Направляющие аппараты. 4 Межлопаточные каналы полуоткрытые. Комбинированное выдавливание. 7 Поверхность лопатки линейчатая. Д Направляющие аппараты. 5 Межлопаточные каналы закрытые. Аксиальное выдавливание. 8 Поверхность лопатки сложнофасонная. Е Групповая штамповка отдельных лопаток. 6 Межлопаточные каналы открытые. Радиальное выдавливание. 9 Поверхность лопатки сложнофасонная.