Технология изготовления заготовок рабочих лопаток вентилятора методами обработки металлов давлением и сварки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036.3

Ю. С. Кресанов, К. А. Ющенко, А. Я. Качан, А. В. Богуслаев, И. А. Петрик

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК РАБОЧИХ ЛОПАТОК ВЕНТИЛЯТОРА МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ И СВАРКИ

В работе представлены особенности разработанной технологии изготовления заготовок рабочих лопаток вентилятора с антивибрационными полками методами обработки металлов давлением и сварки.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

При разработке технологии изготовления деталей для новых авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и совершенствовании уже применяемых технологий целесообразно использовать высокопроизводительные и эффективные процессы, позволяющие снизить трудоемкость и металлоемкость продукции.

При этом выбор технологической схемы процессов изготовления деталей следует увязывать с серийностью изделий, которая в значительной степени определяет выбор способов их получения.

В настоящее время получение точных заготовок, особенно лопаток, становится актуальным даже и для мелкосерийного и единичного производств ввиду

?гпч

неуклонного повышения стоимости и без того дорогих материалов, применяемых для их изготовления. Точные заготовки, как правило, вместе с тем обеспечивают более высокий ресурс и надежность деталей.

Этим условиям отвечает разработанная технология изготовления рабочей лопатки вентилятора (РЛВ) из титанового сплава ВТ3-1 для турбореактивного двухконтурного двигателя Д36.

РЛВ (рис. 1, 2) имеет большие габаритные размеры: массивный хвостовик и довольно протяженную антивибрационную полку, расположенную нормально к поверхности пера. Изготовление заготовок РЛВ методом штамповки связано с назначением большого (до 3...5 мм) припуска, который затем удаляют механической обработкой. Это приводит к большой трудоемкости и повышенному расходу дорогостоящего титанового сплава.

Англзн£5|>г1дп0ннля ГТСПО

ХПОСТОШТК

б

Рис. 1. Рабочая лопатка вентилятора (а) и перо лопатки с антивибрационными полками (б)

а

© Ю. С. Кресанов, К. А. Ющенко, А. Я. Качан, А. В. Богуслаев, И. А. Петрик, 2008 ISSN1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008

Рис. 2. Геометрические параметры рабочей вентиляторной лопатки

На основании результатов исследования напряженно-деформированного состояния РЛВ с применением расчетных, лабораторных и стендовых данных определено распределение полей напряжений [1]. Это дало возможность разделить лопатку на две составляющие: перо с хвостовиком и ввариваемую в него антивибрационную полку (рис. 3).

Цель работы - разработка прогрессивной технологии изготовления рабочих лопаток вентилятора с антивибрационными полками.

Результаты работ и исследований

Такое разделение лопатки на составляющие элементы позволило разработать технологию ее изготовления, в основе которой находится следующая

место приварки

антивибрационной

полки

0,4 МПа 113 МП* г?е МПа 400 М Па 5 ! П М П л

ЁЁМПа 2 00 М Па ЗЗОМПа 430 МПЛ сор МП.,

Рис. 3. Распределение напряжений по перу лопатки и схема приварки антивибрационной полки

технологическая схема: штамповка лопатки, штамповка антивибрационной полки (АП) - вальцевание пера лопатки - сварка полки.

Для реализации данной технологии сложный аэродинамический профиль пера лопатки трансформируется в положение, когда входные и выходные кромки всех сечений находятся на одном уровне. При этом хвостовик лопатки поворачивается вместе с близлежащим к нему (базовым) сечением на необходимый расчетный угол согласно выражению [2]

&Ф =

N - $

б

А + Б

(1)

В основу расчета координат точек поверхности сечений пера РЛВ под последующую деформацию положен профиль с эквидистантным припуском 0,3 мм и расширенными на 1 мм входной и выходной кромками.

Приняв ближайшее сечение пера, примыкающее к хвостовику, за базовое и считая его повернутым в горизонтальном положении на угол ф, определяем для каждого расчетного сечения координаты профиля пера по выражениям [2]:

ХКо,к) = ХКс,к) 008 Ф± ¥„

(с,к)

81П ф;

Уцск\ = + ч 81П ф + 7., ч 008 ф,

1(с,к) 1(с,к) ^ '(с,к)

(2)

где верхний знак соответствует повороту сечений против часовой стрелки, нижний - по часовой стрелке.

Производим в новых осях у'А -у'Б дополнительный подгиб сечений по отношению к базовому, при условии у'а = у'б на величину

К1 = А,Б)баз - Y(А,Б)'

(3)

И окончательно определяем координаты точек пера:

Т((с,к) = ?1(с,к) ± К1 ■

(4)

Назначив по хвостовику припуск под предварительную обработку, проектируем предварительную штамповку, предназначенную для горячего вальцевания пера.

Технологический процесс изготовления рабочей лопатки вентилятора из титанового сплава ВТ3-1 с припуском 0,1......0,2 мм под дальнейшее шлифование пера включает следующие технологические операции:

1. Получение заготовки лопатки без АП под последующее вальцевание.

1.1 Набор материала для хвостовика методом высадки круглой заготовки на горизонтально ковочной машине (ГКМ).

1.2 Штамповка предварительно сформованной заготовки на кривошипном прессе усилием 6,3 МН (КГШП 6300).

2 Механическая обработка хвостовика для создания баз и условий захвата задатчиком при вальцевании.

3 Вальцевание пера на прокатном стане 330 за 3 перехода.

4 Предварительная закрутка пера в штампе на КГШП 6300.

5 Закрутка пера методом термофиксации в специальном приспособлении в электропечи.

6 Изготовление АП.

6.1 Набор материала из прутка на ГКМ.

6.2 Штамповка на КГШП 4000.

7 Механическая обработка отверстия в пере лопатки для приварки АП.

8 Приварка АП методом электронно-лучевой сварки.

9 Окончательная закрутка пера после сварки АП, совмещенная с термообработкой.

Размеры штамповки лопатки по длине принимаем, исходя из возможности ее получения на существующем в ОАО «Мотор Сич» оборудовании. Учитывая сложность деформирования тонких полотен из титанового сплава ВТ3-1, а также для обеспечения точности размеров по высоте, принимаем коэф -фициенты вытяжки для пера при вальцевании с учетом трех вальцовок: и = 1,4; ^ = 1,3 и Из = 1,1, где И , ^2 , И3 - вытяжка на первой, второй и третьей вальцовках, соответственно.

На основании принятых коэффициентов вытяжки, с целью обеспечения равномерных обжатий (деформаций) по сечениям, определяем координаты точек пера по чертежным координатам лопатки по выражениям:

для штампованной заготовки -

^Кс,к) = ?Кс,к) ' И1И2И3 , (5)

для первого перехода вальцевания -

^'(с,к) = ^г(с,к) ' И2И3 , (6)

для второго перехода вальцевания -

^/'(с,к) = ?Кс,к) ' И3 . (7)

Размеры между сечениями пера лопатки, а вместе с ними и длина лопатки, по переходам вальцевания уменьшаются на величину вытяжки

для штамповки:

Ь

(8)

Ь

пера шт ......

р И1И 2И 3

11

1 ,

пеРа шт ц^ц 2ц3

для первого перехода вальцевания:

I

пера шт

1

Ц 2 Ц 3

1 ,

г пера ц 2 Ц 3

для второго перехода вальцевания:

(9)

(10) (11)

(12)

г пера ц3 (13)

Для определения объема исходной круглой заготовки под штамповку принимаем площади поперечных сечений пера:

РЛ1 = 0,7Стахв1 Цг ' Ц2 ' Ц3 + 2аЬ- (14) где Ст - максимальная толщина пера в сечении;

и

II

пера

11

Ц 3

1 ,

вг - ширина пера в сечении; а - ширина облоя при штамповке; к - высота облоя при штамповке. Диаметр заготовки, обеспечивающий необходимую площадь поперечного сечения, определяем из формулы:

= д/1,274^.

(15)

Учитывая, что исходная заготовка по длине имеет переменное сечение, являющееся следствием переменного сечения пера лопатки, необходимо произвести протяжку прутка от диаметра, равного площади сечения пера у хвостовика (14), до диаметра периферийного от хвостовика сечения по линейному закону. Тогда длина пера исходной заготовки будет

Ь„

2¥,

пера

Ра + Р

Аг+

(16)

где Упера - объем пера штампованной заготовки с облоем.

23

1 >

269,2±0,1_ 4 Т Л1

249,2±0,1 Лз[ | Л3

1 Л5[ Т Л5

| л9[

я Л12' ^Л12

129,2±0,1 Л1~5[ ^Л15

я Л18|

Л21' Я10 2 места

л27 \ Л24

§ Л25У

з| ' Л25

К - К

Я10

2 места

Базовая плоскость

-У3

Рис. 4. Штампованная заготовка рабочей лопатки вентилятора

2 места

На рис. 4 представлена штампованная заготовка с предварительно обработанным хвостовиком, предназначенная для вальцевания и рассчитанная по выражениям (1___13).

Предварительная обработка хвостовика выполняется для создания баз и условий захвата заготовки в задатчике при переходах с целью правильного направления оси лопатки при вальцевании.

Штампованную заготовку из прутка титанового сплава ВТ3-1, предварительно сформированного на горизонтально-ковочной машине для набора металла под хвостовик, изготавливают на кривошипном прессе 6,3 МН с нагревом в электрической камерной печи по всем операциям высадки, штамповки и вальцевания до температуры:

Тпп - (20-40 °С),

(17)

где Тпп - температура полиморфного превращения сплава ВТ3-1.

Вальцевание пера штампованной заготовки выполняется на стане 330 производства ОАО «Мотор Сич» со специально установленным устройством, которое производит задачу заготовки пером вперед, т. е. с нарастанием обжатия за 3 перехода с промежуточными нагревами перед каждым из них. На рис. 5 представлены результаты измерения лопаток по максимальной толщине пера после последнего вальцевания в сравнении с проектируемыми данными.

Для каждого перехода вальцевания применяют специально спроектированные валки, обеспечивающие заданный коэффициент вытяжки (обжатия). Проектирование валков осуществлялось для максимально возможного для стана 330 диаметра нейтральной окружности, равного 345 мм, с целью размещения перьевой части лопатки на последнем (3-ем) переходе, когда угол рабочей части валка достигает около 180 °, что составляет половину окружности валка.

Калибровку валков выполняем по выражениям (6_-18), изложенным в работе [2]. На рис. 6 представлен верхний валок третьего перехода, выполнен-

Сшх, мм

и 10 9 ! 7 6 1 4 3 2 1

ный из стали ДИ-22 с твердостью рабочей поверхности ИЯС 48...54.

В зев непрерывно вращающихся валков заготовка задается в направлении, противоположном рабочему ходу, таким образом, что ее захват происходит в непосредственной близости к хвостовику, а за-датчик совершает обратный ход, создавая переднее натяжение. На рис. 7 представлена штампованная заготовка и заготовка после трех переходов вальцевания.

После вальцевания нагорячо производят за-крут-ку пера в специальном приспособлении.

АП штампуется с припуском под шлифование по поверхности полок и под фрезерование по участку, прилегающему к полке пера, для чего полка в штампе располагается в горизонтальной плоскости (рис. 8).

Разработке технологии сварки АП предшествовали исследования различных режимов сварки, представленных в табл.1.

Значения механических свойств сплава ВТ3-1 в зависимости от режимов сварки (см. табл.1) представлены на рис. 9, из которого следует, что погонная энергия сварки не оказывает существенного влияния на статическую прочность и относительное удлинение и должна выбираться из условия оптимального формирования швов и минимальных короблений лопатки при сварке.

На основании проведенных исследований образцов из сплава ВТ3-1, изготовленных по различным видам сварки и присадкам, в зависимости от температуры термической обработки (см. рис. 9) был выбран оптимальный технологический процесс сварки РЛВ.

Величина угла загиба (ф) является более информативным показателем пластического состояния шва, чем относительное удлинение (й), так как отражает структурное состояние сварного соединения, а ударная вязкость КСТ - уровень устойчивости материала к ускоренному разрушению при повышенных знакопеременных нагрузках (рис. 10). Уровень прочности сварных соединений при использовании однофазных присадок соизмерим с прочностью самих присадочных материалов, а более прочные двухфазные материалы образуют соединение с более высокой-нречшстью, но снижается их плас-

по чертежу

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис. 5. Фактические (2) и расчетные (1) размеры пера лопатки по Ст

ВИД В (развертка)

Рис. 6. Валок верхний третьего перехода вальцевания

Таблица 1 - Режимы сварки сплава ВТ3-1

Вид сварки Параметры сварки

Ток, г'св., А Напряжение исе, В (АДС) Пуа„ кВ (ЭЛС) Скорость Усе, м/мин Погонная энергия впог., кДж/см

АДС 155 180 10 10 0,24 0,24 3,1 3,6

ЭЛС 40 60 60 60 0,83 0,83 1,12 1,68

об Ж

1100 1080 1060 1040

I

1,12 1.68 3,1 3;6

□ ДДС

□ ЗЛС

□ Основной материал

ршлг ,Дж/с.М

Ш 15 10 5 О

:гю

1,12 1,68 3,1 3,6

Рис. 9. Влияние погонной энергии сварки сплава ВТ3-1 на предел прочности (а) и относительное удлинение (б)

Так как полученные зависимости механических свойств сварного соединения недостаточны для определения работоспособности РЛВ, в которой преобладают циклические нагрузки, были проведены исследования их сопротивления усталости (рис. 11).

Таким образом, разработанная технология сварки АП позволяет обеспечить предел выносливости сварного шва в зависимости от вида сварки в пределах 70-50 %, а уровень прочности в зависимости от присадочного материала - 0,85-0,95 от основного материала.

Заготовки АП и лопатки перед сваркой подвер-

гают механической обработке и на сварку поступают в собранном виде.

С учетом полученных результатов исследований произведена электронно-лучевая сварка АП РЛВ на установке ЭЛУ 20.

После сварки лопатки подвергают окончательной термообработке, совмещенной с правкой, в специальном приспособлении. Так как все операции, связанные с нагревом, выполняются в воздушной среде, то на заключительном этапе лопатка обдувается, а газонасыщенный (альфированный) слой уда -ляется травлением.

а

б

31, МП а

¡.(¿рад

50 40 30 20

ЛИ

гс

т щ

Г гп

1МЕ

•¡ЕНш

590 820 920

т° С

Рис. 10. Механические свойства сварного соединения сплава ВТ3-1 в зависимости от режимов термообработки и материала

присадки:

а - предел прочности; б - относительное удлинение; в - угол статического изгиба; г, д - ударная вязкость

Рис. 11. Предел выносливости сварного соединения сплава ВТ3-1 с различными присадками и видами сварки

а

б

в

Металлургические исследования изготовленных лопаток (рис. 12) и антивибрационной полки подтвердили соответствие механических свойств образцов, вырезанных из хвостовика в поперечном и пера - в продольном направленных (рис. 13), требованиям нормативной документации (табл. 2).

Макроструктура пера лопатки имеет матовый фон и соответствует 2-3 баллу шкалы ОСТ1-9000-6 (рис. 14, а). Микроструктура (рис.14, б) соответствует второму типу - 9-ти типовой шкале инструкции ВИАМ.

Проведенная 100 % проверка макро- и микроструктуры изготовленных лопаток подтвердила их полное соответствие нормативной документации (см. рис. 14, в ,г).

Таблица 2 - Механические свойства лопаток из сплава ВТ3-1, изготовленных методом штамповки и вальцевания (основной материал)

Режим термической обработки Механические свойства

Ъв, МПа Уд- лине-ние 5, % Сужение ф, % Ударная вязкость ак МДж/м2 Твердость с1Ив 10/300/30

Окончательный отжиг при X 630-680°С 1150 1180 10-18 38,844,7 0,440,55 3,3

Нормативные требования 1000 1300 8 25 0,3 3,15-3,6

Рис. 12. Переходы изготовления рабочей лопатки вентилятора: а - окончательно готовая лопатка; б - заготовка лопатки после вальцевания; в - исходная штамповка

Рис. 13. Схема вырезки образцов из лопатки и антивибрационной полки

а

б

Рис. 14. Макро (а) и микроструктура (б) лопатки сварного шва после АДС и (г) - после ЭЛС

Выводы

Разработанный технологический процесс получения заготовок вентиляторных лопаток с антивибрационной полкой позволяет:

- заменить существующий малоэффективный способ получения заготовок лопаток методом штамповки с большими припусками;

- повысить коэффициент использования металла заготовки с 0,28 до 0,46;

- исключить уникальное дорогостоящее кузнечное штамповочное оборудование и снизить себестоимость продукции.

Целесообразно окончательно изготовленные таким способом рабочие лопатки вентилятора испы-

тать на сопротивление усталости, а также в составе технологического двигателя.

Разработанная технология изготовления рабочих лопаток вентилятора является также базой для разработки технологий изготовления широкохордных стреловидных рабочих лопаток вентилятора (без антивибрационных полок) современных авиационных двигателей.

Перечень ссылок

1. Петрик И. А., Овчинников А.В. и др. Повышение работоспособности лопаток из титановых сплавов вентилятора авиадвигателя НТЖ // Вестник двигателестроения, 2006. - № 4. - С. 104107.

2. Кресанов Ю.С., Богуслаев А.В., Качан А.Я. Периодическая прокатка заготовок лопаток компрессора газотурбинных двигателей с аэродинамическим профилем. НТЖ // «Вестник двигателестроения, 2006. - № 2. - С. 95-101.

Поступила в редакцию 12.05.2008

В po6omi представленi особливостi розроблено1 технологи виготовлення заготовок ро-бочихлопаток вентилятора i3 антивi6рацiйними полками методами обробки металiв тиском i зварювання.

The features of the developed technology ofmanufacturing blades of the fan with antivibrating shelfs by methods ofprocessing of metals by pressure and welding are given.