Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

К вопросу оптимизации проектирования прецизионных заготовок под холодное вальцевание лопаток газотурбинных двигателей

# 07, июль 2009
автор: Коршунова В. В.

 

 

УДК 621.73.047:621.45.226.2

 

Российская Федерация, Ярославская область,
г. Рыбинск, РГАТА им. П.А. Соловьева

Научный руководитель: А.С. Матвеев

доктор технических наук, профессор кафедры «ОМД»

 

Технологические процессы изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) во многом определяют как себестоимость двигателя, так и его надёжность в эксплуатации.

При этом в авиадвигателестроении наряду с лезвийными, электрофизическими и иными методами изготовления лопаток широко применяют процессы холодного вальцевания (вальцовки) пера, эффективность внедрения которых прямо пропорциональна программе выпуска двигателей. Процессы холодного вальцевания лопаток ГТД позволяют существенно повысить коэффициент использования металла и снизить трудоёмкость изготовления авиационных двигателей.

Традиционно заготовки лопаток для вальцовки изготавливают горячей штам­повкой. При этом поле допуска на профиль заготовки реализуется за счет недоштамповки, то есть неполной величины смыкания половин штампа. Образующийся между половинами штампа зазор, в общем случае переменный как по величине, так и по периметру штампа, обусловлен неравномерными упругими деформациями штампа, рабочих узлов пресса, неравномерностью нанесения смазки, разбросом по объёму исходных прутковых заготовок, а так же неравномерным распределением удельных нагрузок на гравюру штампа, вызванных сложным профилем штампуемых заготовок. В конечном итоге это приводит к низкой стабильности геометрической формы изготавливаемых заготовок лопаток.

Процесс вальцовки партии таких заготовок, представленный схематично на рисунке 1, в свою очередь, характеризуется низкой стабильностью процесса, вызванной различной величиной и различным расположением припуска по профилю пера заготовки. При этом наблюдается или изгиб пера лопатки в сторону спинки или корыта, или отклонения по углу закрутки сечений пера и другие дефекты. Кроме того, неравномерность и колебание величины припуска под вальцовку заготовок, обусловленные особенностями их изго­товления штамповкой, приводят в процессе вальцовки к неравномерности скоростей течения слоев металла вдоль оси пера, а также по кромочным и околокромочным зонам, вызывая так называемую «саблевидность» или «серпение» пера лопаток , являющихся браковочным призна­ком, изображено на рисунке 2.

Рис.1. Схема процесса вальцовки лопатки ГТД: 1 – заготовка лопатки; 2,3 – вальцовочный инструмент (вставки); 4 – переходник

Для повышения стабильности процесса вальцовки и снижения брака изготавливаемых лопаток, поступающие на вальцовку партии заготовок подвергают разбивке на группы по величине и распределению припуска под вальцовку на специальных контрольно – измерительных приборах. Вальцовку каждой группы лопаток осуществляют при индивидуальных настройках вальцовочного стана, часто с использованием доработанного под каждую группу заготовок, вальцовочного инструмента - вставок. Это повышает трудоёмкость и себестоимость изготовления лопаток.

 

Рис.2. Вид сверху на вальцуемую заготовку 1(рис.1) при образовании «серпения» в процессе вальцовки, вызванного градиентом скоростей течения металла в очаге пластической деформации 5, вследствие неравномерности припуска под вальцовку

 

Для устранения этих недостатков и подготовки заготовок лопаток ГТД под холодную вальцовку разработаны методика проектирования заготовки под вальцовку и технология, позволяющая обрабатывать поверх­ность пера заготовок с высокой точностью на универсальном металлорежу­щем оборудовании, в частности, на кругло- и плоскошлифовальных станках.

 

Рис. 3. Профиль i-го сечения лопатки: - б– действительный, а –выпрямленный;

 

Рис. 4. Схема определения радиуса описанной окружности, аппроксимирующей профиль спинки i-го сечения лопатки

 

 

При этом, для адаптации профиля пера заготовки лопатки к технологическим возможностям универсального металлорежущего оборудования (токарной, шлифовальной групп) аэродинамические сечения готовой лопатки, заданные чертежом, «раскручивают» относительно базового сечения и трансформируют в сечения имеющие прямолинейные спинки, располагаемые в одной плоскости, представлено на рисунке 1. Затем для каждого спрямлённого сечения назначают припуск под вальцевание, как показано на рисунке 5, обеспечивающий равные степени деформации в трёх точках расположенных со стороны спинки на входной и выходной кромке лопатки и точке расположенной в срединной зоне обрабатываемого сечения.

Далее через отмеченные три точки каждого сечения проводят окружности, получая тем самым заготовку лопатки с сегментообразным профилем сечений, представлено на рисунке 5 . При этом описанный метод проектирования заготовки лопатки позволяет обработать как корыто так и спинку заготовки лопатки в специальных приспособлениях на универсальном плоско - и круглошлифовальном оборудовании, изображено на рисунке 6, обеспечивая высокую точность и идентичность заготовок лопаток.

Рис.5 Аппроксимирование контура дугой окружности, проходящей через заданные точки

 

Данная методика обеспечивает геометрическую стабильность заготовок под вальцевание, гарантируемую возможностью использования в качестве исходной технологической базы плоскую поверхность «корыта» заготовки при обработке «спинки» заготовки по конической или цилиндрической поверхности. Кроме того, стабильность заготовки в целом обеспечивается надёжностью переноса баз на дальнейшую обработку заготовки от обработанного плоского «корыта» будущей лопатки.

Рис.6. Шлифовальное приспособление в виде многогранной призмы для обработки спинок заготовок лопаток, имеющих постоянный профиль по длине, под холодное вальцевание , установленное на круглошлифовальном станке

 

При этом состояние поверхностного слоя пера заготовки и точность его геометрических параметров будут определяться технически и экономически целесообразными разновидностями, например, шлифовальных операций (глубинное шлифование, электрохимическое и т.д.), точность которых при обработке плоских, цилиндрических и конических поверхностей, как известно, достаточно высока.

Данный метод и технологический процесс изготовления лопаток ГТД успешно внедрён в ОАО «НПО Сатурн» (г. Рыбинск) .

Опыт внедрения и апробирование вышеописанной методики и технологических процессов изготовления лопаток выявил ряд недостатков, в частности снижение ресурса лопаток, вызванное разбросом степеней деформации по поперечным сечениям пера.

Этот недостаток связан с тем, что при проектировании заготовки лопатки выбор опорных точек через которые проходят окружности, описывающие спинку заготовки, носят в основном интуитивный характер.

Для устранения этого недостатка разработан новый способ определения параметров шлифованной заготовки. При этом в основу предлагаемого способа заложен ряд критериев определения параметров окружностей, описывающих спинку сечений лопатки с обеспечением минимальной разности течения металла при вальцовке заготовки по

кромочным и около кромочным зонам.

Алгоритм реализации способа приведён на рисунке 7.

Рис. 7.Алгоритм расчёта заготовки под холодное вальцевание лопаток ГТД

 

 

Предложенная методика позволяет учесть способ наложения припуска на теоретический профиль пера лопатки, его распределение, жёсткость рабочих элементов оборудования, максимально выровнять скорости течения металла в околокромочных областях вальцуемой заготовки и повысить как надёжность технологического процесса так и качество лопаток авиационных двигателей.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе изготовления лопаток газотурбинных двигателей, заготовку под вальцевание получают с односторонней выпуклой поверхностью в продольном направлении, а в поперечном сечении - в виде сложной фигуры, образованной в общем случае сегментом со стороны спинки и прямоугольной трапецией ( либо прямоугольным треугольником) со стороны корыта, высота которой (которого) соответствует по величине длине корыта спрямленной детали и принадлежит горизонтальной оси OX,причем для лопаток с постоянным профилем пера по длине одностороннюю выпуклую поверхность выполняют в виде цилиндрической поверхности, а для лопаток с переменным профилем пера по длине - в виде конической поверхности.

 

Радиус выпуклой поверхности каждого сечения определяют из условий минимальной разности скоростей течения металла в полуплоскостях, образованных прямой, проходящей через центр масс сечения и параллельной вертикальной оси OY рабочего чертежа детали и минимального отклонения расчетной степени деформации в целом для сечения от действительной.

 

Для этого, контур обрабатываемого сечения, описывают, например, несколькими полиномами n – степени, затем определяют уравнения нормали, как показано на рисунке 8, для дискретной функции корыта. Далее аналитически определяют длину кривой, описывающей корыто обрабатываемого сечения. На следующем этапе, путем совместного решения уравнения нормали, функций спинки и корыта определяют дискретно заданную функцию толщины спрямленной детали. Площадь образованного контура сравнивают с площадью исходного обрабатываемого i – того сечения, принимая решение о качестве выполненной операции по трансформированию аэродинамического профиля сечения пера лопатки в профиль, имеющий прямолинейную спинку.

 

 

Рис. 8.Спрямление аэродинамического профиля пера

 

 

Рис. 9.Спрямленый профиль пера

 

На следующем этапе проектирования заготовки выполняют операцию по аппроксимированию контура спинки каждого i– того сечения заготовки дугой окружности. При этом, учитывая, что кромки лопатки являются наиболее нагруженными зонами в процессе её эксплуатации, а стабильность свойств изготавливаемых холодной вальцовкой лопаток лимитируется величиной допуска на изготовление кромочных областей заготовки, влияющего в частности на стабильность запаса пластичности материала в кромочных областях лопатки, выбирают две опорные точки М и N ,представлено на рисунке 10 а. При выборе положения точек целесообразно поместить их на линиях 19 и 20, являющихся перпендикулярами к прямолинейному корыту спрямленного профиля и проходящих через кромочные зоны выпрямленного сечения лопатки 2, например, через центры радиусов кромок лопатки ( не показано). Таким образом, устанавливают положение опорных точек М и N детали и координаты точек М1 и N1 заготовки в направлении оси ОХ.

В направлении оси ОY опорные точки М1 и N1 принадлежат функционально описанной заготовке с заданной степенью относительной деформации по сечению и пропорциональным распределением припуска по спинке и корыту (учитывается коэффициентом . Таким образом, формулируются два первых условия для определения окружности, описывающей заготовку (радиуса и смещения по горизонтальной и вертикальной осям): окружность должна проходить через заданные точки М1 и N1. Для нахождения трех неизвестных параметров требуется еще одно условие. Третьим является равенство площадей проектируемой заготовки и заготовки лопатки с пропорциональным распределением припуска. Данное условие позволяет практически исключить образование излишков металла и переход его к последующим непровальцованным сечениям в процессе пластической деформации. Данное обстоятельство крайне важно, поскольку наличие дополнительного металла в кромочных зонах приводит к увеличению степени деформации, упругих деформаций, как детали, так и стана и, как следствие, к утолщению в этих зонах – «корсетности», а в ряде случаев, если степени деформаций превышают предельные - к возникновению трещин. В процессе решения системы уравнений, составленных согласно поставленным условиям однозначно определяются параметры окружности описывающей заготовку лопатки со стороны спинки.

 

а

б

Рис. 10.Определение параметров заготовки:

а - аппроксимирование контура дугой окружности со стороны спинки и прямой - со стороны корыта; б- эпюра относительных обжатий по сечению

 

 

Система уравнений для определения параметров окружности, описывающей заготовку со стороны спинки в общем виде(1):

(1),

 

где -площадь заготовки лопатки с пропорциональным припуском, гарантирующим заданную степень обжатия по сечению ;

- искомые радиус, смещение погоризонтальной и вертикальной осям центра окружности.

Принимая, что спинка заготовки в плоскости чертежа выполнена в виде дуги окружности 3 (рисунок.10), проходящей через опорные точки, а корыто – в общем случае в виде прямой M2N2(x), наклонной к оси ОХ, определяют, например, относительные степени пластической деформации (ε) в сечениях перпендикулярных плоскости чертежа и параллельных оси Y в виде:

,

где - текущая толщина заготовки;

- текущая толщина спрямленной детали.

Затем строят эпюры деформаций (рисунок 10б) для полуплоскостей, образованных в рассматриваемом сечении прямой проходящей через центр масс сечения и параллельной оси OY рабочего чертежа детали (эпюры S1, S2).

 

При этом величина относительных обжатий по сечению может, как превышать допустимые значения 4, приводя к появлению трещины в данной области, так и быть скалярно отрицательной, что говорит о превалировании толщины детали в данном элементарном сечении над толщиной заготовки. Заготовки лопатки, для которых характерно подобная картина распределения обжатий по сечению, целесообразно исключить из дальнейшего анализа.

 

На следующем этапе определяют площади эпюр S1, S2, и величину отношения площадей эпюр S1 и S2 в виде коэффициента К. При этом коэффициент К для идеального случая (при пропорциональном распределении припуска под вальцевание пера) имеет фиксированную величину К идеал., равную единице. Очевидно, что при Кидеал реализуется идеальный случай, характеризуемый равенством скоростей течения материала по обе стороны от оси Y сечения.

 

На следующем этапе, варьируя распределением припуска по спинке и корыту (изменяя коэффициент в диапазоне ), определяют новые положения опорных точек, соответствующие им окружности 3, и относительные степени деформации, строят эпюры деформаций по сечению и определяют коэффициент К, как отношение площадей эпюр S1 и S2, расположенных в полуплоскостях, образованных прямой, проходящей через центр масс сечения и параллельной оси OY рабочего чертежа детали.

,

Где - меньшая и большая площади соответственно.

Затем из множества значений коэффициента К определяют наиболее близкий по величине к коэффициенту Кидеал , принимая параметры окружности 3 для данного случая, как итоговые. Характерной особенностью сечения является обеспечение минимальной разности скоростей течения металла при его вальцевании на выходе из очага пластической деформации, а также наименьшее расхождение расчетной степени деформации по сечению и действительной.

Указанный алгоритм аппроксимации сечения пера дугами окружностей выполняют для всех сечений 1,представленных на рисунке 11, пера лопатки 2. Таким образом, определяются вид поверхности, описывающей спинку спрямленной детали: коническая или цилиндрическая и наклон плоскости, описывающей корыто. Характер изменения припуска между расчетными сечениями принимается линейным. При этом, пропорционально степени деформации каждого из контрольных сечений пера определяют новые расстояния между сечениями заготовки вдоль оси вальцевания, проходящей через центры масс.

Рис. 11. Рабочий чертеж лопатки, вид сверху

  1. контрольное сечение пера

  2. перо лопатки

  3. совокупность контрольных сечений

  4. ось вальцевания

 

Таким образом, аппроксимировав спинки сечений лопатки дугами окружностей, а корыто сечений – прямой линией, с обеспечением минимальной разности скоростей течения металла заготовки из очага пластической деформации в полуплоскостях, образованных прямой, проходящей через центр масс сечения и параллельной оси OY рабочего чертежа детали, удаётся свести к минимуму вероятность возникновения гофр на кромках лопатки, а так же «серпения» или «саблевидности» при вальцевании заготовки. Более того, применение описанного подхода позволяет избежать утолщения полученной детали вследствие несоответствия расчетной степени деформации действительной.

Список литературы:

  1. А.с. ╧ 1517217 СССР, Кл. В 21Н 7/16. Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей.

  2. Анализ факторов, влияющих на точность вальцованных лопаток. В.М. Лебедев.- Авиационная промышленность,1981, приложение ╧5.

  3. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Г.Б. Двайт - «Наука», М., 1977, 227с.

 

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2020 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)