Изотермическая раскатка заготовок дисков газотурбинных двигателей из титанового сплава ВТ18У тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат наук Морозов Сергей Викторович

• Морозов Сергей Викторович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Морозов Сергей Викторович

Введение

1 Состояние вопроса изотермической раскатки заготовок дисков ГТД из титанового сплава ВТ18У

1.1 Получение заготовок деталей типа диск

1.2 ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ШТАМПОВКА ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

1.3 ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ РАСКАТКА ЗАГОТОВОК ДИСКОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ18У

1.3.1 Особенности изотермической раскатки заготовок дисков из титановых сплавов

1.3.2 Разработка технологического процесса изотермической раскатки заготовок дисков

1.3.3 Параметры заготовки для изотермической раскатки

1.3.4. Особенности изотермической раскатки заготовок дисков из титанового сплава ВТ18У

1.3.4 Анализ причин возникновения дефектов заготовок, полученных изотермической раскаткой

2. Определение зависимости механических свойств раскатанных заготовок из титанового сплава ВТ18У от параметров предварительной осадки и режимов раскатки

2.1 Объекты и методика исследования

2.1.1 Свойства сплава ВТ18У

2.1.2 Методика проведения эксперимента

2.2 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.2.1 Оборудование для проведения экспериментальных работ

2.2.2 Порядок проведения эксперимента

2.2.3 Определение механических свойства материала раскатанных

заготовок

2.3 Обработка экспериментальных данных

3. Определение зависимости сил, возникающих в процессе деформирования, от режимов изотермической раскатки

3. 1 РАСЧЕТНАЯ СХЕМА

3. 2 ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВКИ

3.3 Обработка данных компьютерного моделирования

4 Математическая модель процесса получения заготовок дисков из сплава ВТ18У с применением изотермической раскатки

4.1 Анализ полученных результатов

4.2 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ

4.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5. Основные направления совершенствования оборудования для изотермической раскатки заготовок дисков

5.1 Основные недостатки, выявленные в процессе эксплуатации линии АЛРД-800

5.2 Мероприятия по устранению недостатков линии АЛРД-800

5.3 Основные пути совершенствования оборудования для

ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РАСКАТКИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращение и условных обозначений

Список использованной литературы

Список иллюстративного материала

Приложения

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изотермическая раскатка заготовок дисков газотурбинных двигателей из титанового сплава ВТ18У»

Введение

Актуальность работы. Одной из основных задач, на решение которой направлены усилия специалистов, работающих в области авиационного двигателе-строения, как у нас в стране, так и за рубежом, является повышение качества и производительности, при существенном сокращении издержек производственных процессов получения деталей газотурбинных двигателей.

Конструкция ротора современных ГТД содержит свыше десятка осесиммет-ричных деталей типа диск, изготавливаемых из жаропрочных сплавов на основе никеля и титана. При производстве дисков ГТД коэффициент использования металла (КИМ) не превышает 5 - 10%. Одной из перспективных технологий изготовления заготовок дисков, позволяющая получать заготовки высокого качества с минимальными потерями металла, является изотермическая раскатка, основанная на методах формообразования локальной деформирующей нагрузкой.

Процесс изотермической раскатки заготовок дисков из титанового сплава ВТ18У, применяемого для дисков 5-6 ступени компрессора высокого давления ГТД, недостаточно отработан, что приводит к снижению качества материала и возникновению различных дефектов в заготовках. Таким образом, теоретическое и экспериментальное обоснование выбора режимов изотермической раскатки, с учетом их влияния на механические свойства материала заготовки, является актуальной задачей.

Цель работы: повышение коэффициента использования материала при производстве дисков газотурбинных двигателей из высоколегированного титанового сплава ВТ18У за счет повышения уровня механических свойств материала заготовок при изотермической раскатке путем теоретического и экспериментального обоснования выбора режимов и совершенствования оборудования.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Исследовать влияние параметров осадки и изотермической раскатки заготовок дисков ГТД из титанового сплава ВТ18У на механические свойства материала.

2. Исследовать влияние технологических режимов на силы, возникающие в процессе деформирования.

3. Разработать математическую модель процесса получения заготовок дисков ГТД из титанового сплава ВТ18У для расчета режимов изотермической раскатки.

4. Определить основные направления совершенствования оборудования для изотермической раскатки заготовок дисков.

5. На основе исследований определить и внедрить в технологический процесс изотермической раскатки заготовок дисков ГТД из титанового сплава ВТ18У режимы изотермической раскатки, обеспечивающие необходимый уровень механических свойств.

Объект исследования Процесс формообразования заготовок методом ротационной изотермической деформации.

Предмет исследования Изотермическая раскатка заготовок дисков ГТД из титанового сплава ВТ18У.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проведены на автоматической линии для раскатки дисков АЛРД-800, оснащенной современными датчиками контроля и регистрации технологического процесса раскатки и системой автоматического управления, позволяющей вести раскатку дисков в автоматическом режиме.

Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в процессе раскатки, проводились методом конечных элементов. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами регрессионного анализа.

Автор защищает:

1. Закономерности влияния режимов изотермической раскатки на механические свойства материала заготовок из титанового сплава ВТ18У.

2. Математическую модель процесса получения заготовок дисков газотурбинных двигателей из титанового сплава ВТ18У с применением изотермической раскатки.

3. Основные направления совершенствования автоматической линии для раскатки дисков АЛРД-800. Научная новизна.

Впервые установлены закономерности влияния на прочностные и пластические свойства материала заготовок из титанового сплава ВТ18У режимов изотермической раскатки (температура деформации, частота вращения заготовки и скорость подачи раскатного инструмента), позволяющие прогнозировать уровень механических свойств.

Практическую значимость имеют следующие результаты:

Определены рациональные режимы изотермической раскатки заготовок из титанового сплава ВТ18У, обеспечивающие требуемый уровень прочностных и пластических свойств материала заготовок для производства дисков компрессора высокого давления ГТД. Реализация работы:

1. Режимы изотермической раскатки заготовок дисков ГТД из титанового сплава ВТ18У, определенные на основании закономерностей их влияния на механические свойства материала заготовок введены в технологический процесс АО «ОДК» г. Москва.

2. В конструкцию линии АЛРД-800 внедрена конструкция теплозащиты рабочей печи, позволяющая поддерживать стабильную температуру в зоне раскатки в пределах ±5°С.

3. Внедрен силоизмерительный подшипник оригинальной конструкции, позволяющий повысить стабильность технологического процесса и увеличить надежность оборудования.

4. Внедрена система байонетного крепления раскатных роликов, позволяющая повысить ресурс их работы и снизить трудоемкость замены роликов.

5. Полученные результаты приняты к использованию в учебном процессе Московского Политехнического университета, о чем свидетельствует соответствующий акт.

Апробация работы: Работа доложена и обсуждена на следующих конференциях:

1. Научно-техническая конференция «Современные титановые сплавы и проблемы их развития». Москва. ФГУП ВИАМ.2008 г.,

2. Международная научная конференция «Машины, технологии и материалы для современного машиностроения». Москва. ИМАШ РАН. 2013г.

3. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении», Москва. ФГУП ЦИАМ, 2015г.,

4. IV международная научная конференция «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», ИМАШ РАН, 2015 г.,

5. Международная научно-техническая конференция «Климовские чтения»— 2016: перспективные направления развития авиадвигателестроения: Санкт-Петербург, 2016 г.

Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 24 печатных работах, 7 из которых в рецензируемых изданиях, внесенных в перечень ВАК, 1 патенте РФ, 1 монографии.

Личный вклад автора. В диссертации приведены результаты, полученные автором лично или при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задач, выполнении экспериментальных работ и моделировании, подготовке графических и табличных материалов, получении основных расчетных выражений, анализе экспериментальных данных, сопоставлении их с расчетными зависимостями и подготовке публикаций по результатам работы.

Достоверность результатов работы. Достоверность результатов подтверждается испытаниями, использованием современных методов и технических средств исследований, применением методики математического планирования эксперимента.

Благодарности. Автор выражает благодарность д.т.н., проф. В.А. Гейкину, д.т.н. Павлиничу С.П., к.т.н Сухорукову Р.Ю.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и общих выводов. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 26 таблиц, библиографический список из 76 наименований.

1 Состояние вопроса изотермической раскатки заготовок дисков ГТД из титанового сплава ВТ18У

1.1 Получение заготовок деталей типа диск

Конструкция ротора современных ГТД и аналогичных энергетических машин обычно содержит свыше десятка осесимметричных деталей типа диск. Диски эксплуатируются в газотурбинных двигателях в условиях воздействия высоких температур и нагрузок [1, 2] и являются деталями ответственного назначения. Они представляют собой тела вращения сложной конфигурации, в которых можно выделить три основные части: наружную - обод, среднюю - полотно и внутреннюю - ступицу. Основной геометрической особенностью данных деталей является сильно развитая по толщине ступица, переходящая по криволинейной поверхности в тонкое полотно, которое заканчивается относительно массивным ободом. На ободе обычно расположены сложно профилированные пазы для установки лопаток, отверстия и каналы для охлаждения и т.д. Полотно усложнено разнообразными конструктивными элементами - лабиринтами и уплотнениями, выполненными в виде кольцевых гребней. Большая часть дисков ГТД изготавливается из жаропрочных титановых и никелевых сплавов типа ВТ9, ВТ18У, ЭП742, ЭИ962, ЭП741НП [13, 14], которые характеризуются низкой пластичностью и высоким сопротивлением деформации при обработке давлением традиционными метода ми.

Производство осесимметричных деталей типа диск отличается высокой трудоемкостью и значительными потерями дорогостоящих металлов. Нередко коэффициент использования металла (КИМ) при изготовлении таких деталей не превышает 5 - 10% [1, 2]. Изготовление дисков ГТД с минимальными потерями металла и без применения мощного прессового оборудования и массивного штампового инструмента возможно при применении технологии на основе методов локального формообразования деталей (ЛФД), в том числе в условиях изотермической деформации [3,4, 5, 6, 7, 8, 9]. Основной особенностью этих методов является то, что заданную форму заготовке придают путем последовательно деформирования по

участкам, воздействием перемещающегося относительно нее инструмента. При этом наилучшие результаты получают при использовании заготовок с исходной мелкозернистой структурой и деформацию проводить в определенных темпера-турно-скоростных условиях. В качестве исходной заготовки используется плоская или фигурная поковка с обычной или мелкокристаллической структурой, полученная металлургическим переделом слитка или порошковой металлургией [10, 11, 12].

Основным методом получения заготовок деталей типа диск является объемная штамповка, обеспечивающая высокие эксплуатационные характеристики этих изделий. Однако, в связи с высокими требованиями к качеству деталей и необходимостью многочисленных испытаний материала в процессе изготовления, а также несовершенством технологических процессов, масса поковок существенно превышает массу готовых деталей. Токарная обработка дисков достигает 20... 25% общей трудоемкости изготовления двигателя. В результате объем удаляемого механической обработкой металла достигает 90%, а КИМ - менее 0,1. Так, например, масса поковки составляет 100 кг, а масса готовой детали - 9,3 кг. [15]

Повышение эксплуатационных характеристик деталей за счет улучшения механических свойств металла, а также снижение металлоемкости и объема механической обработки требует разработки и внедрения новых процессов пластического формообразования, позволяющих уменьшить припуски и повысить КИМ. Такими методами являются:

- изотермическая штамповка,

- методы формообразования локальной деформирующей нагрузкой.

1.2 Изотермическая штамповка заготовок из титановых сплавов.

Исследованию изотермической деформации титановых сплавов посвящено большое количество работ [16, 17, 18, 19, 20]. При изотермической деформации появляется возможность широкого варьирования скоростью деформирования.

Снижение скорости, которая может быть сколь угодно малой, способствует уменьшению сил деформирования. Эта особенность изотермической деформации позволяет получать из заготовки относительно простой формы изделия сложной конфигурации с высокой точностью и хорошим качеством поверхности [17, 19, 21, 22, 23, 24, 25]. Коэффициент использования металла в этом случае в 2 - 5 раз выше, чем при обычной объемной штамповке и достигает 0,3 - 0,4. При изотермической штамповке в качестве деформирующих устройств используют штампы и нагревательные блоки, устанавливаемые на типовые или специальные гидравлические прессы. Эти блоки рассчитаны на применение штамповых вставок с размерами в плане от 160 до 900 мм с массой нагреваемых частей от 50 до 700 кг. Для нагрева рабочих частей штампов применяют индукционный или газовый нагрев, а также метод электросопротивления.

Основным недостатком всех применяемых методов нагрева штампов является большая длительность нагрева. Так, например, продолжительность нагрева штампа массой 640 кг до температуры 950°С составляет 20 часов.

В качестве штампового материала для изотермической деформации титановых сплавов обычно применяют литейные жаропрочные никелевые сплавы типа ЖС6, ЖС6У, 1п-100, МЛЯ-200. Интенсивно развивается получение дисков сравнительно небольшого диаметра (до 500 мм) методом изотермической штамповки. В качестве заготовок для штамповки дисков используют прокатанный пруток.

Однако изотермическая штамповка имеет ряд недостатков, которые ограничивают ее применение для получения крупногабаритных заготовок дисков ГТД, диаметр которых может достигать 1200 мм. Поэтому в настоящее время активно развивается изотермическая раскатка заготовок дисков, основанная на совмещении локальной деформации в изотермических условиях. [26, 27, 28, 29, 30]

1.3 Изотермическая раскатка заготовок дисков из титанового сплава

ВТ18У.

1.3.1 Особенности изотермической раскатки заготовок дисков из

титановых сплавов

Основным отличием изотермической раскатки от существующих методов [31, 32], является то, что процесс происходит в изотермических условиях. При этом поддержание температуры заготовки и инструмента должно осуществляться в пределах ±5°С. Кроме того предъявляются дополнительные требования к соблюдению скоростного режима деформации. Скорость деформации при раскатке дисков из титановых сплавов не должна превышать 10-2. При несоблюдении данного условия резко возрастают силы деформации, из-за чего происходит повреждение заготовки, раскатного инструмента или оборудования [33].

Данная технология была апробирована на опытно-промышленном оборудовании, созданном усилиями предприятий авиационной промышленности, в первую очередь СПО "Прогресс", НИИД и СКТБ «Тантал». Качество дисков, изготовленных на этой установке, было подтверждено большим количеством положительных результатов исследований [11, 12].

Принципиальная механическая схема раскатки дисков посредством наклонных к плоскости раскатки роликов показана на рисунке 1. При этом заготовка, пи-ноли и ролики находятся в пространстве рабочей печи. [33]

Рисунок 1 - Принципиальная механическая схема раскатки дисков.

Нагретая при раскатке до температуры деформации заготовка, зажатая между пинолями, приводится последними во вращение. Под воздействием одной или двух пар наклонных вращающихся роликов, имеющих возможность перемещаться в осевом и радиальном направлениях, а также менять угол наклона по отношению к плоскости раскатки, заготовка деформируется с уменьшением толщины и с увеличением диаметра. Использование этой схемы раскатки позволяет получать достаточно разнообразные по диаметру и профилю диски с размерами обычно в пределах 500.. .800 мм в диаметре и 80.. .100 мм по осевой ширине обода. Толщина полотна у таких дисков составляет 8. 30 мм.

В нашей стране и за рубежом интерес к использованию таких технологий проявляется различными двигателестроительными фирмами. Причиной этого является то, что этот метод позволяет изготавливать детали различной сложной конфигурации, также создает коммерческую привлекательность произведенной таким образом продукции. Так, по сравнению с объемной штамповкой сила деформации в этом случае снижается до 1000 раз. Становиться возможным получение не только тонкостенных деталей типа дисков, оболочек, но и массивных изделий с комбинированными сложными для штамповки формами. Число операций и переходов при изготовлении деталей сводится до минимума, снижается трудоемкость их производства. При этом значительно сокращаются потери металла. Коэффициент использования материалов при изготовлении заготовок методами изотермической раскатки в 2.. .8 раз выше, чем при использовании традиционных формообразующих операций штамповки [26, 29].

Существенное значение для изотермической раскатки имеют три фактора: заданное постоянство температуры деформации, скорость деформации и наличие микрокристаллической структуры в заготовке. Температурно-ско-ростные условия деформации, обеспечиваются применяемыми для такой раскатки технологическими средствами.

К специальным параметрам раскатки относятся: траектория движения роликов, скорость перемещения, подача и число оборотов роликов, число оборотов заготовки, а также суммарное и разделённое на компоненты усилие деформации.

1.3.2 Разработка технологического процесса изотермической раскатки заготовок дисков

Рациональный выбор технологических параметров изотермической раскатки связан с изучением кинематических и силовых параметров процесса. Для определения сил деформирования и силовых условий на контактных поверхностях необходимо знать форму и размеры очага деформации, площадь соприкосновения заготовки с инструментом и расположение их в пространстве. Важным фактором

процесса является выбор исходной заготовки и геометрических параметров деформирующего инструмента (роликов), оказывающих влияние на распределение деформаций в материале.

Одной из основных причин, сдерживающих внедрение этих методов для получения дисков, является то, что применение известных схем и режимов раскатки, реализующихся на станах для производства железнодорожных автомобильных колес [31], неэффективно, а в ряде случаев неприменимо для дисков ГТД. Причины этого заключены в том, что в известном оборудовании не учтены особенности конструкции дисков ГТД и низкие технологические свойства титановых и никелевых сплавов. При этом может усиливаться отрицательное влияние отдельных факторов, возникающих в процессе раскатки. В частности, формообразование дисков при раскатке основано на том, что лишь отдельные части заготовки, в основном полотно и обод, испытывают значительную деформацию. При этом значительные трудности обусловлены высокими скоростями деформации, применяемыми на известных раскатных станах. Высокие скорости деформации необходимы из-за быстрого охлаждения заготовки, что приводит к уменьшению пластичности и повышению сопротивления деформирования дисковых сплавов, потере устойчивости пластического течения, проявляющегося в сильной локализации очага деформации и возникновению трещин.

1.3.3 Параметры заготовки для изотермической раскатки

Заготовки для изотермической раскатки получают на традиционном куз-нечно-штамповом оборудовании, применяемом при горячей деформации сплавов или специальном, предназначенном для изотермической штамповки. В этом случае применяются гидравлические прессы, оснащенные изотермическим штамповочным блоком для получения фигурных или плоских шайб диаметром 350 - 450 мм.

Размеры заготовки для раскатки рассчитываются исходя из условия равенства объемов исходной и раскатанной заготовки. Типовая заготовка для изотермической раскатки и раскатанная заготовка показана на рисунках 2, 3.

1 1 1 // II Л/ 1

— — —

! Т II 6 11

Н'

Рисунок 2 - Типовая заготовка для изотермической раскатки.

Размеры исходной заготовки находятся обычно в следующих пределах:

В '- от 350-1,0 до 450-1,0 мм;

ВМ'= 1,5.2,5;

(10 - 70+0,5 мм;

Н = Н + (10.20) (±0,5) мм,;

И = И + (10...20) (±0,5) мм;

При разработке чертежа заготовки диска учитываются общетехнические требований, касающихся назначения припусков и допусков, необходимых для термической, механической обработок, а также напусков для выполнения контрольных тестов. В частности, излишки материала по контуру диска предусматриваются для его

механической обработки перед ультразвуковым контролем, а также для вырезки образцов для механических испытаний.

Размеры раскатанной заготовки назначаются исходя из припуска на чистовые диаметральные размеры от 5 до 7 мм, на линейные размеры от 7 до 15 мм, и находятся обычно в следующих пределах: Б - от 450.2,0 до 800.2,0 мм;

й - от 180.2,0 до 350.2,0 мм;

- от 250.2,0 до 650.2,0 мм;

- 70+°,5 мм;

Н - от 30±0,5 до 100±0,5 мм; к - от 30±0,5 до 170±0,5 мм. к - не менее 10±0,5 мм.

Н

Ь

Рисунок 3 - Типовая раскатанная заготовка.

Исходными данными для построения траектории движения роликов являются чертежи раскатанного диска, исходной заготовки и инструмента.

Построение траектории сводится к определению перемещений, которые необходимо придать роликам, чтобы образующие их рабочих поверхностей в каждый момент времени описывали необходимый контур диска. Наглядно эта задача решается, если использовать наложенные друг на друга чертежи исходной заготовки и раскатанного диска (рисунок4).

При определении перемещений инструмента и его исходного положения учитываются поправки на температурные изменения размеров заготовки и роликов в процессе нагрева, а также на упругие деформации технологической системы (станок-приспособление-инструмент-деталь), которые определяют экспериментально. Процедуру построения траектории можно выполнить также посредством управляющего компьютера и проконтролировать её исполнение на холостых пробегах. При необходимости после раскатки первого диска и его обмера производится корректировка траектории.

Е*

Рисунок 4 - Построение траектории движения ролика.

1.3.4. Особенности изотермической раскатки заготовок дисков из

титанового сплава ВТ18У

За период освоения процесса изотермической раскатки заготовок дисков ГТД основное внимание было уделено получению деталей из титанового сплава ВТ9, как наиболее простому с точки зрения формообразования и получения требуемых эксплуатационных свойств. При этом были разработано и апробировано большое количество схем изотермической раскатки, определены оптимальные, с точки зрения качества поверхности заготовки и силовых параметров процесса, геометрические формы и размеры раскатного инструмента [34, 35, 38]. Однако титановый сплав ВТ9 не удовлетворяет требованиям жаропрочности, предъявляемым к дискам КВД высоких ступеней ГТД, температура его работы составляет 400. 500 0С, тогда как требуется работоспособность при температуре до 600 0С. Поэтому возникла необходимость применения в качестве материала для дисков более жаропрочного титанового сплава ВТ18У. При выполнении опытных работ было установлено, что данный сплав обладает меньшей технологичностью при изотермической раскатке и требует более точного определения и поддержания режимов изотермической раскатки и температуры предварительной осадки, так как исследования раскатанных заготовок выявили ряд проблем, связанных с механическими свойствами. Усредненные данные с результатами исследования образцов из раскатанных заготовок из титанового сплава ВТ18У приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Механические свойства материала раскатанных заготовок из титанового сплава ВТ18У [36, 38].

Зона вырезки образца Направление вырезки образца Ов, МПа 5,% V, % кси Длительная прочность при Т=600°С, о =300МПа

Обод Радиальное 971,7 8,4 19,44 0,28 39ч 10 мин

977,5 7,16 19,72 0,24 89ч 40 мин

974,4 7,0 20,87 0,2

Обод Тангенциальное 995,4 7,20 15,51 0,24 44ч 00 мин

967,2 7,08 17,76 0,25 80ч 20 мин

995,7 7,92 15,17 0,24 51ч 20 мин

Полотно Радиальное 995,0 9,16 20,23 0,21 57ч 40 мин

989,1 12,48 17,29 0,29 110ч 10 мин

988,1 8,2 22,23

Полотно Тангенциальное 984,5 10,72 22,46 0,3 37ч 30 мин

964,2 7,28 15,17 0,28 38ч 40 мин

953,2 9,76 22,19 0,24 43ч 10 мин

Штампованные заготовки 970 9,0 18,0 0,3

ОСТ 1-90197-89 9301130 7,0 15,0 0,23 50

Из таблицы 1 видно, что:

1. Механические свойства образцов, вырезанные из полотна, обода, центральной части материала диска ГТД отвечают требованиям ОСТ1-90197-89. Однако значения относительного удлинения на ряде образцов находятся на нижнем пределе допустимых значений.

2. Длительная прочность образцов, испытанных из разных зон, в тангенциальном и радиальном направлениях, нестабильна и в ряде случаев ниже норм требований ОСТ1-90197-89.

3. Низкий уровень пластичности материала и длительной прочности на отдельных образцах.

Учитывая необходимость повышения качества заготовок дисков из сплава ВТ18У, был проведен анализ причин недостаточного уровня и низкой стабильности механических свойств материала заготовок, полученных методом изотермической раскатки.

1.3.4 Анализ причин возникновения дефектов заготовок, полученных изотермической раскаткой

К заготовкам дисков газотурбинных двигателей предъявляются высокие требования по геометрической точности и механическим свойствам материала. С целью повышения качества получаемых заготовок была проведен анализ причин возникновения дефектов заготовок различного рода.

Дефекты, возникающие при изотермической раскатке можно разделить на две группы:

1. Недостаточный уровень механических свойств материала заготовки

2. Несоответствие геометрических размеров и формы заготовки требуемым.

Дефекты первой группы могут возникать в следующих случаях:

1. Заготовка, подготовленная на этапе осадки, не соответствует требуемой.

2. Недостаточная точность поддержания технологических режимов в процессе изотермической раскатки

Дефекты второй группы могут возникать в следующих случаях:

1. Несоответствие размеров исходной заготовки, в этом случае возможно появление зон «не проката» или чрезмерного наплыва металла.

2. Ошибки при расчете траектории движения роликов

3. Ошибки при программировании траектории движения роликов

4. Неисправности оборудования, возникающие в процессе изотермической раскатки.

Кроме того, в случае изотермической раскатки заготовок дисков из сплава ВТ18У не проведено достаточное количество исследований механических свойств материала раскатанных заготовок, что не позволяет определить рациональные режимы изотермической раскатки (скорость, температура, степень деформации) [38, 39, 40]. В соответствии с вышеизложенным сформулирована цель работы и определены задачи, подлежащие решению.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Морозов Сергей Викторович, 2020 год

Список использованной литературы.

1. Гарькавит А.А. Производство деталей авиационных двигателей. -М. Машиностроение, -1977. -167 с

2. Никитин Ю.М. Конструирование элементов деталей и узлов авиационных двигателей. -М.: Машиностроение, -1968. - 324 с.

3. Фиглин С.З., Бойцов В.В. и др. Изотермическое деформирование металлов. -М.: Машиностроение, -1978. -283 с

4. А.С. СССР № 852429. МПК А1, В 21К, 1/32. Н.П. Шляхин, З.Г. Унанян, И.Н. Лыткин и др. // Способ изготовления заготовок типа дисков. Опубликовано 07.08.1981 - Бюл. № 29.

5. А.С. СССР № 470346, МКИ В21к 1/32, В21 J1/04. Г.А. Пименов, Л.В. Прозоров, Н.В. Тихомиров и др. Способ изготовления дисков. Опубликовано 15.05.75 -Бюл. № 18.

6. Никольский Л.А., Фиглин С.З., Калпин Ю.Г. и др. Процессы обработки сплавов на основе титана // Л.А. Никольский, С.З. Фиглин, Ю.Г. Калпин и др.// Куз-нечно-штамповочное производство -1973. -№ - C. 43 - 44.

7. Бойцов В.В., Джуромский Ю.В., Фиглин С.З. Изотермическое деформирование металлов // В.В. Бойцов, Ю.В. Джуромский, С.З. Фиглин // Кузнечно-штампо-вочное производство. -1979. - № 9. -C. 32 - 37.

8. Никольский Л.А., Фиглин С.З. и др. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов. -М.: Машиностроение, -1975. -285 с.

9. Фиглин С.З., Бойцов В.В., Сурмач Л.В. Деформирование в штампах, нагретых до высокой температуры/ С.З. Фиглин, В.В. Бойцов, Л.В. Сурмач // Кузнечно-штамповочное производство. - 1967. - № 8. -C. 47 - 49.

10. Годин А.Н., Богатов А.А., Аксенов Ю.А. и др. Исследование сопротивления деформации деформируемых титановых сплавов/ А.Н. Годин, А.А. Богатов А.А, Ю.А. Аксенов и др. // Технология легких сплавов. - № 4. - 1983. -с. 44 - 48.

11. НИР «Исследование условий формообразования ободной части дисков из титановых и никелевых сплавов в процессе их изготовления методами локальной деформации». ВИЛС, - 1981, шифр работы: 1425-050

12. Отчет «Исследование процесса формообразования обода дисков из жаропрочных материалов методом ротационного деформирования». М.: ВИЛС, - 1981, рег. № 470887

13. Авиационные материалы. Т. 3. Справочник. -М.: ВИАМ, 1973. 585 с.

14. Авиационные материалы. Т. 5. Справочник. -М.: ВИАМ, 1973. 566 с.

15. Сулима А. М. и др. Основы технологии производства газотурбинных двигателей: Учебник студентов авиац.спец.вузов/ - 2-е. изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1996. - 480 с.: ил.

16. Дубник М.Н., Михин Т.А. Влияние скорости деформирования на структуру и свойства поковок из сплава ВТ8 // Кузнечно-штамповочное производство, -1968. - № 8. -с. 14-15

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

18. Годин А.Н., Богатов А.А., Аксенов Ю.А. и др. Исследование сопротивления деформации деформируемых титановых сплавов // Технология легких сплавов. -№ 4. - 1983. -с. 44 - 48.

19. Анисимова Л.И., Гольдштейн М.И., Попов А.А. Механизм деформации титановых сплавов при повышенных температурах. - В кн.: Сверхпластичность металлов //Тезисы 1 Всесоюзной научно-технической конференции. - Уфа: -1978. -с. 78 - 80.

20. Елагина Л.А., Гордиенко А.И., Ивашко В.В. и др. Влияние структуры на механические свойства сплавов ВТ9 и ВТ18 (Сообщение 1)/ Л.А. Елагина, А.И. Гордиенко, В.В. Ивашко и др. // Технология легких сплавов. -1978. -№ 12. -с. 33 -38.

21. Левин И.В., Шибанов А.С., Кропотов В.А., Щетников Н.В., Трошин А.Н., Винокуров Д.В. Разработка оптимальных режимов изготовления штампованных поковок дисков компрессоров из титановых сплавов, деформируемых в ß-обла-сти/ Титан. 2010. № 3 (29). С. 24-29.

22. Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С., Моисеев Н.В., Капитаненко Д.В. Изотермическая деформация жаропрочных сплавов/ Металлург. 2013. № 10. С. 88-92.

23. Скугарев А.В., Бурханова А.А., Ночовная Н.А., Изотова А.Ю.Эффективность применения изотермической деформации при изготовлении штамповок из титановых сплавов/ Титан. 2013. № 1 (39). С. 31-34.

24. Моисеев Н.В., Разуваев Е.И., Пономаренко Д.А., Захаров Ю.И., Скляренко Е.И. Разработка и опытно-промышленное освоение технологии изотермической штамповки титановых сплавов/ Актуальные вопросы авиационного материаловедения Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. 2007. С. 50.

25. Варгасов Н.Р., Радкевич М.М. Изготовление изделий из титанового сплава в условиях сверхпластичности/ Технология металлов. 2016. № 6. С. 2-5.

26. Кайбышев О.А. Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. -М.: Наука, - 2002. - 438

27. Кайбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов. - М.: Металлургия, -1975. -279 с.

28. Патент РФ № 2254195 С1, МКП В21Н1/02. Способ изготовления осесиммет-ричных деталей / Елисеев Ю.С., Бурлаков И.А., Утяшев Ф.З. и др. // Опубликовано: 2005.06.20. Бюл. № 17

29. Бурлаков И.А. Изготовление заготовок дисков ГТД на автоматизированной линии АЛРД-800 // Известия МГТУ «МАМИ». -М.: - 2008. - № 1 (5). - с. 164 - 166

30. Перспективы применения изотермической раскатки дисков ГТД из титановых сплавов. Морозов С.В.// Труды научно-технической конференции «Современные титановые сплавы и проблемы их развития». - М.: ВИАМ, 2010г, С. 81-85.

31. Ф.З.Утяшев, В.Г. Трифонов, С.И. Михайлов. Раскатка дисков автомобильных колес из алюминиевых сплавов // Кузнечно-штамповочное производство. - 1999. -№ 4, -с. 36 - 38

32. Мулюков Р.Р., Назаров А.А., Сухоруков Р.Ю., Утяшев Ф.З.Технологические особенности процесса и оборудование для сверхпластической раскатки осесим-метричных деталей ротора современных авиадвигателей из жаропрочных сплавов/ Проблемы машиностроения и надежности машин. 2014. № 4. С. 89-98.

33. Технология авиационного двигателе- и агрегатостроения, в 12-ти томах. Т2. Получение деталей авиационных двигателей и их агрегатов методами обработки давлением - М.: НИИД, 1993.

34. Чечулин С.С., Ушков, И.Н. Разуваева, В.Н. Титановые сплавы в машиностроении Б. - Л.: Машиностроение, 1977. - 248 с.

35. Сёмин П.В., Сёмин В.А., Лисунец Н.Л. Влияние частоты вращения заготовки и инструмента на процесс раскатки дисков в изотермических условиях Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 9. С. 42-44.

36. Отчет по теме № 102/078-08 «Изготовление дисков ГТД методом изотермической раскатки». - М.: ФГУП ММПП «Салют». 2008 г. - 96 с. Руководитель разработки Бурлаков И.А.

37. Сухоруков Р.Ю., Сидоров А.А., Утяшев Ф.З., Ибрагимов А.Р. Определение силовых параметров процесса изотермической раскатки ответственных деталей газотурбинных двигателей / Проблемы машиностроения и автоматизации. 2015. № 1. С. 116-122.

38. Бурлаков И.А., Боровских И.А., Морозов С.В. Влияние технологических параметров ковки и раскатки на свойства титанового сплава ВТ18У. Вторая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М., - 2009 г., С. 59-62.

39. Бурлаков И.А., Лисунец Н.Л., Ким В.Г. Повышение эффективности процессов изготовления дисков ГТД на раскатном стане // Труды третьей международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии», - Воронеж: 2003. - с. 18 - 20.

40. Харитонов В.Н., Горелов В.А., Бурлаков И.А. Ротационные методы получения заготовок деталей ГТД // Двигатель. -№ 5 (23). -М.: -2002. -с. 8 - 12

41. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1981. - 184 с. ил.

42. Целиков А. И., Казанская И. Л., Сафронов А. С. и др. Поперечно -клиновая прокатка в машиностроении. - М.: Машиностроение, -1982. - 192 с

43. Бурлаков И.А., Морозов С.В., Боровских И. А. Расчет технологических параметров изотермической раскатки дисков газотурбинных двигателей. / И.А. Бурлаков, С.В. Морозов, И. А. Боровских // Заготовительные производства в машиностроении. М., 2010г. № 2 С. 28-34.

44. Морозов С.В., Морозов В. В. Методы расчета сил деформирования при раскатке дисков из жаропрочных сплавов на автоматической линии АЛРД-800. Труды международной научной конференции «Машины, технологии и материалы для современного машиностроения», - М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2013. С. 69.

45. Р.Р Мулюков, Р. М. Имаев, А. А. Назаров и др. Сверхпластичность ультрамелкозернистых сплавов: Эксперимент, теория, технологии -М. : Наука, 2014. -284с.

46. Бурлаков И.А., Морозов С.В. Математическое моделирование процесса изотермической раскатки с помощью программных комплексов Qform-3D и

ANSYS.Труды научно-технической конференции «Применение программного комплекса Q-Form 3D» ММП им. В. В. Чернышева. М., - 2009 г.

47. Сухоруков Р.Ю., Сидоров А.А., Ибрагимов А.Р., Утяшев Ф.З. Математическое моделирование процессов изготовления осесимметричных деталей авиационного назначения методом локальной деформации/ Письма о материалах. 2015. Т. 5. № 2 (18). С. 175-178.

48. Бурлаков И.А., Морозов С.В., Боровских И. А. Компьютерное моделирование процесса изотермической раскатки с помощью программных комплексов Qform-3D и ANSYS. / И.А. Бурлаков, С.В. Морозов, И. А. Боровских // Заготовительные производства в машиностроении. М., 2010г. № 4 С. 30-34

49. Леванов А.Н., и др, Контактное трение в процессах ОМД, - М. Металлургия, 1975. - 352 с.

50. Бурлаков И.А., Морозов В.В., Морозов С. В., Македонов А. В. Модернизация автоматической линии для раскатки дисков АЛРД-800. Труды второй Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» М., - 2009 г., С. 57-59

51. Гуревич Я. Л., Горохов М. В., Захаров В. И. и др Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник. - М.: Машиностроение, 1986, 240

52. Болгарский А. В. Термодинамика и теплопередача. Учебник для вузов. Изд 2-е переработанное и доп. М., «Высшая школа», 1975

53. Морозов С. В., Македонов А. В. Анализ поля распределения температур в рабочей печи при изотермической раскатке. Тезисы докладов Международных молодежных научно-технических чтениях им. А. Ф. Можайского, Украина, Запорожье-Алушта, - 2013г., С. 222-223Каталог теплоизоляционных материалов PROMAT, 2008 г

54. Морозов С. В., Сухоруков Р. Ю. Расчет и проектирование систем охлаждения основных узлов технологического оборудования для формообразования в

условиях сверхпластичности ответственных деталей газотурбинных двигателей (дисков, полых валов и т.д.). Научные труды IV международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», - М.: Издательский дом «Спектр», 2015. С. 176 - 177

55. Глекнер X., Подшипники для измерения усилий в шпинделе станков/Х. Глекнер //Подшипники '87, М. 1987, с 61-65

56. Перель Л.Я., Филатов А.А., Подшипники качения. Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник.- М.: Машиностроение, 1992.-608 с.

57. Комиссар А. Г. Опоры качения в тяжелых режимах эксплуатации: Справочник.- М.: Машиностроение , 1987. 384 с.

58. Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя. В 3-х т. Т. 1: 728 с., Т. 2: 559 с., Т. 3: 557 с., ил. Изд.5-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001.

59. Беляев Н. М. Сопротивление материалов.- М.: Наука, 1976.- 608 с.

60. Мастеров В. А., Берковский В. С. Теория пластической деформации и обработка металлов давлением. - М.: Металлургия, - 1989. - с.400

61. Морозов С.В. Силовые параметры при изотермической раскатке на автоматической линии АЛРД-800/С.В. Морозов// Проблемы машиностроения и автоматизации, 2014. №1 С. 165 - 168.

62. Патент РФ. № 75164 МПК В21Н1/00 Стан для изготовления осесимметричных деталей. /Морозов В.В., Гейкин В.А., Бурлаков И.А., Морозов С. В. и др.// Опубликовано27.07.2008. Бюл. №21

63. Бурлаков И. А., Морозов В. В., Морозов С. В. Автоматическая линия для изотермической раскатки заготовок дисков газотурбинных двигателей/ И. А. Бурлаков, В. В. Морозов, С. В. Морозов // Заготовительные производства в машиностроении, 2012. № 5 С. 26 - 28.

64. Морозов C.B., Морозов В. В. Бурлаков И. A. Изотермическая раскатка заготовок дисков ГТД из жаропрочных гранульных никелевых сплавов. Сборник тезисов докладов всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении», - М.: ЦИЛМ, 2015. С. 255 - 25б.

65. Бурлаков И. A., Валитов ВА., Ганеев A.A, Забельян Д.М., Морозов C.B., Сухо-руков Р.Ю., Утяшев Ф.З. Моделирование структурообразования в процессе горячей деформации заготовок деталей ГТД из жаропрочного никелевого сплава/ И. A. Бурлаков, ВА. Валитов, A.A. Ганеев, Д.М. Забельян, C.B. Морозов, Р.Ю. Сухоруков, Ф.З. Утяшев // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2016. №1 С. 94 - 101.

66. Burlakov I.A., Valitov V.A., Ganeev A.A., Zabelyan D.M., Morozov S.V., Sukho-rukov R.U., Utyashev F.Z. Modeling the Structure Formation during Hot Deforming the billets of the Parts of Gas-Turbine Engines Made of Heat-Resistant Nickel Alloy/ I.A. Burlakov, V.A. Valitov, A.A. Ganeev, D.M. Zabelyan, S.V. Morozov, R.U. Su-khorukov,F.Z. Utyashev // New Technologies in Mechanical Engineering 201б, Vol. 45, No. 5, pp. 4б9-475

67. Бурлаков ИА., Забельян Д.М., Морозов C.B., Утяшев Ф.З. Деформируемость заготовок из сплава ЭП741НП. Kлимовские чтения—2016: перспективные направления развития авиадвигателестроения: сборник докладов международной научно-технической конференции. — СПб.: Скифия-принт, 2016. — 37б С 239-245.

6s. Морозов C. B., Гаврилина Л. В. Особенности проектирования оборудования для изотермической раскатки заготовок осесимметричных деталей ГТД из титановых и никелевых жаропрочных сплавов. //Материалы международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение», - М.: ИMAШ РAН, 2016. С. 62.

69. Сухоруков Р.Ю., ^щавцев Н.Ф. Модульный принцип создания технологического оборудования для раскатки ответственных деталей гтд из жаропрочных сплавов в изотермических условиях/ Фундаментальные исследования и

инновационные технологии в машиностроении Научные труды V-й Международной научной конференции. Редакционная коллегия: Ганиев Р.Ф., Глазунов

B.А., Сигов А.С., Албагачиев А.Ю., Романов А.Н., Хрущов М.М.. 2017. С. 280281.

70. Морозов С.В. Определение зависимости сил деформирования от режимов изотермической раскатки, с применением программного комплекса QFORM VX /Сборник: Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении Научные труды V-й Международной научной конференции.

2017. С. 173-175.

71. Ибрагимов А.Р. Методы и средства контроля, обеспечивающие структуру и прочностные свойства сплавов, при раскатке деталей ГТД в условиях сверхпластичности/ Живучесть и конструкционное материаловедение (ЖивКоМ - 2016) Труды конференции. 2016. С. 244-246.

72. Сухоруков Р.Ю., Гаврилина Л.В., Ибрагимов А.Р., Морозов С.В. Разработка систем контроля режимов изотермической раскатки деталей ГТД из жаропрочных сплавов для автоматизированного оборудования / Машины, технологии и материалы для современного машиностроения. Сборник тезисов конференции.

2018. С. 189.

73. Сухоруков Р.Ю., Гаврилина Л.В., Ибрагимов А.Р., Кощавцев Н.Ф., Раков Д.Л., Морозов С.В. Перспективы развития раскатных станов для создания производственных интеллектуальных систем при изготовлении деталей ГТД/ Машины, технологии и материалы для современного машиностроения. Сборник тезисов конференции. 2018. С. 187.

74. Афонин В.Л., Гаврилина Л.В., Ибрагимов А.Р., Кондратьев И.М., Морозов

C.В., Раков Д.Л., Смоленцев А.Н., Сухоруков Р.Ю., Шитов А.М. Исследования и разработка инновационных технологических процессов и интеллектуальных систем управления для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГТД)/ Москва, 2019. 137 С.

75. Гейкин В.А., Бурлаков И.А., Гаврилина Л.В., Македонов А.В., Морозов В.В., Морозов С.В., Сухоруков Р.Ю., Утяшев Ф.З. Автоматизированное

оборудование для формообразования осесимметричных деталей из жаропрочных сплавов методом раскатки в изотермических и сверхпластических условиях/ Проблемы машиностроения и автоматизации. 2019. № 2. С. 132-147. 76. Сухоруков Р.Ю., Морозов С.В. Исследование и разработка АСУ ТП изотермического ротационного формообразования осесимметричных заготовок деталей ГТД из жаропрочных сплавов /Сборник: Научные труды VI Международной научной конференции "Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении" 2019. С. 403-405.

Список иллюстративного материала

Список рисунков

Рисунок 1

Рисунок2 Рисунок 3 Рисунок 4 Рисунок 5

Рисунок 6 Рисунок 7

Рисунок 8 Рисунок 9 Рисунок 10

Рисунок 11

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14 Рисунок 15 Рисунок 1 6

Принципиальная механическая схема раскатки стр. 12 дисков

Типовая заготовка для изотермической раскатки стр. 15 Типовая раскатанная заготовка стр. 16

Построение траектории движения ролика стр. 17

Зависимость напряжения течения сплава ВТ18У стр. 24 от температуры при разных скоростях деформации

Чертеж раскатанной заготовки стр. 25

Схема вырезки образцов для исследования меха- стр. 25 нических свойств

Заготовка для проведения эксперимента стр. 28

Схема замера температуры стр. 30

Схема для определения режимов изотермиче- стр. 31 ской раскатки

График для определения радиальной подачи стр. 33 раскатных роликов, в зависимости от изменения толщины полотна заготовки при раскатке График для определения частоты вращения заго- стр. 33 товки, в зависимости от радиуса раскатки при различных значениях ДИ

Схема для определения участков с постоянным стр. 34 изменением толщины заготовки ДИ Общий вид конструкции линии АДРД-800 стр. 36

Схема рабочей печи стр. 37

Образец для испытания на растяжение стр. 42

Рисунок 17 Рисунок 18 Рисунок 19

Рисунок 20

Рисунок 21

Рисунок 22

Рисунок 23

Рисунок 24

Рисунок 25

Рисунок 26

Рисунок 27

Рисунок 28

Рисунок 29

Рисунок 30

Образец для испытания на ударную вязкость стр. 43 Изменение силы в процессе раскатки стр. 51

Расчетная схема для определения сил деформа- стр. 53 ции

Конечно-элементная модель изотермической стр. 54 раскатки

Пример результата расчета. Зависимость силы стр. 55 деформирования от времени.

Изменение силы деформирования в ходе про- стр. 57 цесса

Зависимости максимальной силы деформирова- стр. 58 ния от подачи раскатного ролика

Зависимости максимальной силы деформирова- стр. 60 ния от частоты вращения заготовки Зависимости максимальной силы деформирова- стр. 61 ния от температуры заготовки

Зависимость предела прочности материала от стр. 64 частоты вращения заготовки при различных режимах раскатки

Зависимость относительного удлинения от ча- стр. 65 стоты вращения заготовки при различных режимах раскатки

Зависимость относительного сужения от ча- стр. 66 стоты вращения заготовки при различных режимах раскатки

Зависимость ударной вязкости от частоты вра- стр. 67 щения заготовки при различных режимах раскатки

Заготовка для изотермической раскатки стр. 71

108

Рисунок 31 Раскатанная заготовка диска из титанового стр. 71

сплава ВТ18У

Рисунок 32 Схема теплоизоляции стр. 75

Рисунок 33 Установленная теплоизоляция рабочей печи стр. 75

Рисунок 34 Схема адаптивной системы охлаждения роликов стр. 77

на линии АЛРД-800

Рисунок 35 Расположение тензометрических датчиков стр. 79

Рисунок 36 Схема установки тензометрических датчиков на стр. 80

наружном кольце подшипника

Рисунок 37 Схема калибровки тензометрического подшип- стр. 81

ника

Рисунок 38 Блок позиционирования заготовки стр. 82

Рисунок 39 Чертеж модернизированного ролика стр. 83

Рисунок 40 Модернизированный ролик стр. 84

Рисунок 41 Имитатор узла крепления роликов стр. 84

Рисунок 42 Общая схема конструкции нового оборудования стр. 87

Рисунок 43 Узел роликовый стр. 88

Рисунок 44 Шпиндельный узел пиноли стр. 89

Рисунок 45 Структурная схема системы управления стр. 91

Список таблиц

Таблица1 Механические свойства материала раскатанных за- стр. 19

готовок из титанового сплава ВТ18У Таблица 2 Химический состав титанового сплава ВТ18У по стр. 23 ОСТ 1 90013-81

Таблица3 Матрица планирования полного факторного экспе- стр. 26 римента

Таблица4 Матрица планирования дробного факторного экспе- стр. 27 римента

Таблица5 Значения степени деформации в полотне заготовки стр. 28 Таблица6 Размеры заготовок для активного эксперимента стр. 29 Таблица7 Значения температуры осадки и раскатки стр. 29

Таблица8 Кинематические параметры эксперимента стр. 34

Таблица9 Таблица факторного пространства стр. 35

Таблица10 Основные технические характеристики автоматиче- стр. 39

ской линии АЛРД-800 Таблица11 Механические свойства материала раскатанных за- стр. 44 готовок

Таблица12 Средние значения выходных параметров стр. 45

Таблица13 Рассчитанные значения дисперсий стр. 46

Таблица14 Рассчитанные коэффициенты регрессии стр. 47

Таблица15 Результаты проверки значимости коэффициентов стр. 48 регрессии

Таблица16 Рассчитанные дисперсии адекватности для каждого стр. 48

уравнения регрессии Таблица17 Сопоставление значений критерия Фишера стр. 49

Таблица18 Свойства сетки конечных элементов стр. 54

Таблица19 Исходные данные для компьютерного моделирова- стр. 55 ния

Таблица20 Сопротивление деформации при различных скоро- стр. 56

стях и температурах деформации Таблица21 Предельно допустимые значения режимов изотер- стр. 62

мической раскатки Таблица22 Режимы осадки и изотермической раскатки, обеспе- стр. 68 чивающие предельные значения механических свойств материала заготовок Таблица23 Граничные условия математической модели стр. 69

Таблица24 Рассчитанные режимы предварительной осадки и стр. 70 раскатки, теоретические механические свойства материала и максимальная сила деформации Таблица25 Механические свойства материала и вес заготовки. стр. 72 Таблица26 Технические характеристики нового оборудования стр. 85

Приложения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОЕЗА11ИЯ

«МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХ)

^^^^¡^УТВЕРЖДАЮ

АКТ

ж»""......-^-щ

1ачалы,шк

S»

(место составления)

У*

»

я печать)

К.С. Крысанов 2020 г

О внедрении в учебный процесс университета результатов диссертационной работы «Изотермическая раскатка заготовок дисков газотурбинных двигателей из титанового сплава ВТ18У», выполненной соискателем кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» C.B. Морозовым.

Мы, нижеподписавшиеся начальник учебно-методического управления, декан факультета машиностроение, заведующий кафедрой «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» составили настоящий акт о том, что

результаты

диссертационнои

работы

(научно-исследовательской или диссертационной)

по теме «Изотермическая раскатка заготовок дисков газотурбинных двигателей из титанового сплава ВТ18У» имеют теоретическое и практическое значение для учебного процесса и внедрены в учебный процесс Московского политехнического университета при обучении студентов направлений подготовки: 15.04.01 «Машиностроение» (профиль «Технологический инжиниринг в обработке материалов давлением») в форме лекций по теме «Изотермическая раскатка

заготовок дисков. Определение зависимости механических свойств заготовок от технологических режимов».

(направления подготовки: шифры и названия)

результаты: «Обработка материалов давлением и

Кафедра, внедрившая аддитивные технологии».

Номер протокола и дата заседания кафедры результаты внедрения: протокол №9 от 21.04.2020.

Начало использования объекта внедрения: 1 сентября 2020 года.

Начальник учебно-методического управления

на котором рассмотрены

Декан факультета, внедривший разработку

Заведующий кафедрой

(личная подпись)

(личная подпись)

А.Н. Толстов

Е.В. Сафонов

П.А. Петров

http://www.fips.nl/cdfi/fips.dll'

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19) RU (11) 75164 (13) U1

(51) МПК

В21Н 1/00 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(12) ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

Статус: по данным на 27.10.2008 - действует

Документ В Формате PDF

(21) Заявка: 2008106219/22

(22) Дата подачи заявки: 2008.02.21

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2008.02.21 (45) Опубликовано: 2008.07.27

(73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") (RU)

(72) Автор(ы): Морозов Виктор Васильевич (ЯУ); Вагин Владимир Николаевич (ГШ); Гейкин Валерий Александрович (Яи); Морозов Сергей Викторович ((ЗУ); Бурлаков Игорь Андреевич (ЯУ)

Адрес для переписки: 105118, Москва, пр-кт Буденного', 16, ФГУП ММПП "САЛЮТ', правовое управление, С.Е.Кирееву

<54) СТАН ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности, к конструкциям станов, используемых для раскатки осесимметричных деталей типа колес, дисков, и может быть использовано при изготовлении деталей из малопгэстичных труднодеформируемых материалов, например, из жаропрочных сплавов

Стан для изготовления осесимметричных деталей содержит приводные прокатные валки с роликами, узел фиксации заготовки детали с пинолями. установленными с возможностью вращения, и гидроцилиндрами, печь, выполненную с возможностью ввода в нее заготовки, пинолей и роликов а также систему контроля профиля заготовки, Узел фиксации заготовки детали функционально связан с системой контроля профиля заготовки и содержит гидрораспределитель для выравнивания давления в полостях гидроцилиндроа. блок управления перемещением и контроля положения пинолей. который содержит функционально связанные друг с другом электронный блок управления гидрораспределителем, логический контроллер, датчики положения пинолей, персональный компьютер.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет введением вышеуказанных узлов в конструкцию стана повысить качество и экономичность изготовления деталей за счет возможности получать их с минимальными припусками и исключения брака ■ передавливания (отделение) ступицы от венца диска.

п.ф.-1., доп.. п.ф-1, фиг.-2

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, в частности, к конструкциям станов, используемых для раскатки осесимметричных деталей типа колес, дисков, и может быть использовано при изготовлении деталей из малопластичных, труднодеформируемых материалов, например, из жаропрочных сплавов.

Известен дискораскатный стан СРД 800. предназначенный для раскатки дисков ГТД в условиях сверхпластичности (Кайбышев O.A. и др, М. Наука, 2002 г.стр.362 - 369}. Стан изготовливает осесимметричные детали и содержит приводные раскатные ролики с узлом фиксации заготовки в упорной и прижимной пинолях и печь, а также систему контроля профиля детали. Недостатком известного устройства является отсутствие системы управления и контроля положением пинолей, что может являться причиной возникновения брака деталей

Известен стан для изготовления осесимметричных деталей, содержащий приводные прокатные валки с роликами, узел фиксации заготовки детали с пинолями, установленными с возможностью вращения, и гидроцилиндрами, печь с возможностью ввода а нее заготовки, пинолей и роликов систему контроля профиля заготовки (RU 2134175, 1999 г. кл. В21Н 1/00). Приводные вращающиеся валки с роликами стана установлены в раскатных головках. При этом головки имеют возможность перемещения относительно обрабатываемой детали с помощью кареток, которые е свою очередь перемещаются по направляющим станины Обрабатываемую деталь фиксируют в устройстве с возможностью вращения ее вокруг собственной оси.

Недостатком указанного устройства является отсутствие в узле фиксации заготовки системы управления и контроля профиля заготовки, которые

обеспечивают положение заготовки на позиции раскатки и через систему обратной связи корректируют перемещение прокатных валков с роликами. Такой недостаток способствует снижению точности изготавливаемых заготовок, а также может привести к передавливанию пинолями их ступицы. Это приводит в конечном счете к браку деталей.

2. Предложенное техническое решение отличается от известного тем. что узел фиксации заготовки детали функционально связан с системой контроля профиля заготовки и дополнительно содержит гидрораспределитель для выравнивания давления в полостях гидроцилиндров и блок управления перемещением и контроля положения пинолей. Блок управления перемещением и контроля положения пинолей содержит функционально связанные друг с другом электронный блок управления гидрораспределителем, логический контроллер, датчики положения пинолей и персональный компьютер.

Гидрораспределитель для выравнивания давления в полостях гидроцилиндров, позволяющий вывести цилиндры в плавающее положение, повышает точность определения момента касания раскатных роликов с заготовкой, что приводит к повышению качества получаемых деталей.

ОПИСАНИЕ

1 из 3

05.11.2008 14:30

http://www.fips.ru/cdfi/fips.dll?

Техническим результатом предложенного технического решения является повышение качества и экономичности изготовления деталей из жаропрочных труднодеформируемых материалов. Предложенное устройство позволяет формовать заготовки дисков по размерам и форме максимально приближенных к требуемым размерам деталей, что позволит снизить затраты на изготовление деталей и экономить материалы высокой стоимости

Предложенное техническое решение поясняется следующими фигурами, где на фиг:

1 - общая схема предлагаемого стана,

2 - функциональная схема блока управления перемещением и контроля положения пинолей. Стан для изготовления осесимметричных деталей содержит приводные

прокатные валки с роликами 1-4, узел фиксации заготовки 5 с упорной 6 и прижимной 7 пинолями и печь 8, а также систему контроля профиля заготовки (на фигурах не указана). Привод прокатных валков 1-4 (не показан) обеспечивает каждому ролику возможность осевого вращения Кроме того, привод прокатных валков обеспечивает последним возможность продольного и поперечного перемещения относительно заготовки, например, диска 6 и поворота его в горизонтальной плоскости. Узел фиксации заготовки 5 выполнен в виде гидроцилиндров 9,10 для перемещения пинолей 6, 7. Кроме того, пиноли оснащены приводами 11 вращения заготовки 5. Печь 8 обеспечивает нагрев и поддержание температуры заготовки 5 и выполнена с возможностью ввода в свою полость заготовок 5 и приводных раскатных роликов 1-4.

Узел фиксации заготовки оснащен блоком управления перемещением и контроля положения упорной пиноли 6 и прижимной пиноли 7, датчиком 20 положения прижимной пиноли 7. Узел фиксации обрабатываемой заготовки 5 оснащен гидрораспределителем 12 для выравнивания давления в полостях гидроцилиндров 9 и 10. Причем давление в полостях 13 и 14 гидроцилиндров 9,10 устанавливают большим давления в полостях 15 и 16.

В состав блока управления входят гидрораспределитель 17 с пропорциональным управлением, электронный блок 18 управления гидрораспределителем 17, программируемый логический контроллер (ПЛК) 19, датчик 21 положения упорной пиноли 6. функционально связанными с персонапьным компьютером (ПК) 22.

Команды управления положением пиноли 6 осуществляют через входы ПЛК 19.

Работа заявленного устройства заключается в следующем. Заготовку 5 детапи, выполненной, например, из сплава ЭП962 устанавливают в печи 8, сжимая ее ступицу пинолями 6.7 узла фиксации заготовки. После этого включением привода 11 заготовка 5 вместе с пинолями 6, 7 приводят во вращение Введение приводных прокатных валков с роликами 1-4 в соприкосновение с заготовкой 5 в начальном положении перед прокаткой

производят перемещением пинолей 6,7 гидроцилиндрами 9,10 по показаниям датчиков 20 и 21 положения пинолей 6,7.

Координата положения заготовки детали отслеживается датчиком 20 положения упорной пиноли 6. При рассогласовании заданного положения упорной пинопи 6, гидрораслределитель 17 обеспечивает выравнивание ее положения, а также удерживает заданную позицию, несмотря на воздействие внешних факторов (усилие поджима, реакцию прокатных валков с роликами и т.п.), Точность удержания±одна дискрета датчика положения.

В момент касания приводных прокатных валков с роликами 1-4 заготовки 6 детали происходит перемещение пиноли 7 прижимного цилиндра 10, что фиксируется датчиком положения 20, после чего приводные прокатные валки с роликами 1-4 отводят в исходную точку начала раскатки.

Контроль положения прижимной пиноли 7 датчиком положения 19 в процессе раскатки позволяет управлять процессом внедрения пинолей 6,7 в размягченную заготовку 5 и предотвращать их дальнейшее внедрение в эту заготовку путем снижения давления прижатия или увеличения охлаждения ступицы заготовки. В противном случае может произойти ее передавливание (отделение).

Введение вышеуказанных узлов в конструкцию стана позволяет получать детали с минимальными припусками, исключить возможность брака, передавливание (отделение) ступицы от венца диска

ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

1. Стан для изготовления осесимметричных деталей, включающий приводные прокатные валки с роликами, узел фиксации заготовки детали с пинопями установленными с возможностью вращения, и гидроцилиндрами, печь, выполненную с возможностью ввода а нее заготовки, пинолей и роликов, систему контроля профиля заготовки, отличающийся тем. что узел фиксации заготовки детали функционально связан с системой контроля профиля заготовки и дополнительно содержит гидрораспределитель для выравнивания давления в полостях гидроцилиндров и Елок управления перемещением и контроля положения пинолей.

3. Стан по п. 1 отличающийся тем, что блок управления перемещением и контроля положения пинолей содержит функционально связанные друг с другом электронный блок управления гидрораспределителем, логический контроллер, датчики положения пинолей и персональный компьютер.

http://www.fips.ru/cdfi/fips.dl

ФАКСИМИЛЬНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

05.11.2008 14:30

На основе анализа номенклатуры изделий, теоретических и экспериментальных данных было разработано техническое предложение на создание автоматизированной линии нового поколения АЛРД-1200, защищенное патентом РФ

В качестве и сходной заготовки используется плоская или фигурная поковка с обычной или мелкокристаллической структурой, полученная металлургическим переделом слитка или порошковой металлургией.

Конструкция существующей линии АЛРД-800 обладает рядом недостатков:

1. Угол наклона вращения роликов по отношению к обрабатываемой детали обеспечивается двумя винтовыми парами, а так как в работе одновременно участвуют четыре ролика, то их синхронная работа вызывает трудности.

2. Погрешность позиционирования линейного перемещения формообразующих роликов с помощью двух винтовых пар не позволяет обеспечить требуемую точность положения формообразующего инструмента.

3. Косвенный метод изменения угла наклона вращения роликов с помощью двух винтовых пар и измерения угла с помощью двух датчиков линейного перемещения не позволяет обеспечить требуемую точность положения инструмента.

4. Необходимость синхронизации работы всех механизмов и контроль многочисленных параметров перегружает систему управления и снижает скорость обработки поступающей информации, что приводит к сбоям в работе и аварийным ситуациям. Целью данного технического предложения является создание промышленной автоматизированной линии, которая обеспечивала бы изготовление дисков из титановых и никелевых сплавов в изотермических условиях методом раскатки из относительно простых исходных заготовок диаметром 400 - 600 мм.

В качестве заготовки под раскатку может быть плоская или фасонная осесимметрич-ная поковка с центральным отверстием.

Анализ номенклатуры дисков показал, что методом изотермической раскатки на данном оборудовании могут быть изготовлены диски следующих типов:

1. Диски с небольшой ступицей и ободом и полотном без кольцевых ребер.

2. Диски, имеющие на полотне кольцевые ребра с осесимметричным расположением.

3. Диски, имеющие высокую ступицу.

4. Диски, имеющие высокий обод.

Технологический процесс должен предусматривать:

1. Механизированную установку центровочной оправки в заготовку и передачу заготовки с оправкой на покрытие.

2. Нанесение защитно - смазочного покрытия и сушку заготовки.

3. Автоматизированную загрузку заготовки в предварительное нагревающее устройство при температуре деформации.

4. Нагрев заготовки до температуры деформации и выдержка при этой температуре 1,0 - 1,5 часа.

5. Автоматический перенос нагретой заготовки с центровочной оправкой в камеру раскатки линии. Время переноса - до 15 секунд.

6. Подогрев заготовки в нагревательном устройстве до температуры деформации. Время нагрева до 10 минут.

7. Автоматическую раскатку диска по заданной программе.

8. Автоматическую выгрузку заготовки из нагревательной камеры линии и перенос в устройство регламентированного охлаждения до 15 секунд.

9. Автоматическое перемещение заготовки, охлажденной до температуры 700°С на участок охлаждения на воздухе.

Ход процесса должен контролироваться специальной контрольно-измерительной аппаратурой и системами с выводом на печать данных на выводном устройстве.

Конструкция линии и её составных узлов должна обеспечить свободный доступ к обслуживаемым узлам и простоту их монтажа и демонтажа при проведении планово-предупредительного ремонта.

Необходимо предусмотреть контроль следующих параметров:

1. температуры заготовки (или температуры в нескольких точках печи вблизи заготовки) на всех стадиях с момента начала ее установки в печи до ее удаления;

2. температуры инструмента при раскатке;

3. времени выполнения каждой операции и полного технологического цикла;

4. величины перемещений, подач инструмента;

5. скорости вращения заготовки;

6. скорости вращения каждого из инструментов;

7. согласования в заданных пределах скоростей вращения инструмента и заготовки.

8. силы зажима заготовки в пинолях;

9. усилий и моментов в процессе раскатки.

10. регистрацию параметров раскатки (температуры заготовки и рабочего инструмента, перемещений рабочего инструмента, усилий на рабочем инструменте, скоростей вращения заготовки и рабочего инструмента).

Кинематика линии и системы управления должны обеспечить:

• оперативное программирование процесса на рабочем месте и корректировку программы;

• формообразование изделия по программе.

Режимы работы линии:

• ручной без использования ЭВМ,

• автоматический с использованием ЭВМ.

Линия должна обеспечивать изготовление деталей типа дисков методом раскатки в изотермических из никелевых и жаропрочных титановых сплавов. При этом работа должна реализовываться по следующим вариантам:

1. раскатка заготовки с использованием любой одной каретки (одной пары роликов),

2. раскатка детали с использованием одновременно двух кареток (двух пар роликов),

3. раскатка детали с использованием сначала одной каретки и затем другой каретки,

4. раскатка деталей с использованием нажимного ролика,

5. любые возможные комбинации работы кареток.

С целью повышения качества получаемых заготовок и упрощения управлением линией предлагается конструкция (рис. 1), где винтовые пары привода перемещения раскатных роликов, заменены кареткой продольного перемещения, на которую установлено устройство поворота шпинделя раскатного ролика. Станина линии в плане имеет крестообразную форму в плане и состоит из трёх сочлененных секций: центральной 1 и двух крайних 2 и 3. По направляющим секциям станины 2 и 3 перемещаются каретки 4 и 5, на которых расположены каретки 6 с установленными на них поворотными механизмами 8 и раскатные головки с деформирующими роликами 12. Перемещение роликов в плоскостях раскатки диска, обеспечивается перемещением кареток по направляющим станины винтовой парой 7, также с помощью винтовой пары 9, изменение угла наклона вращения роликов по отношению к обрабатываемой детали на величину от 0 до 20°, обеспечивается поворотным устройством 8. В центральной части станины установлен блок нагрева (печь) и поддержания температуры обрабатываемой детали и инструмента 10, а также расположено устройство крепления заготовки и приведение её во вращение.

Печь представляет собой пустотелую призматическую коробку, выполненную из

теплоизоляционного материала в виде двух разъёмных в горизонтальной плоскости чаи т-ч и

стей. В каждой из них параллельно плоскости вращения заготовки установлены нагревателей, в боковых стенах печи предусмотрены отверстия для ввода в зону нагрева роликов и пинолей. Последние предназначены для установки зажима и передачи вращательного движения заготовке.

Устройство для крепления и вращения заготовки включает два шпинделя 11 с приводами для вращения и перемещения вдоль оси центров. На шпинделях установлены пиноли, которые через отверстия в печи вводятся в рабочую зону раскатки и служат для

обжатия ступичной части заготовки и посредством неё придания заготовке вращения с заданной скоростью.

Рис. 1. Кинематическая схема линии АЛРД-1200 Данная конструкция обеспечит:

1. Более простую синхронизацию продольного перемещения раскатных роликов.

2. Уменьшит погрешность позиционирования линейного перемещения за счет применения одной винтовой пары.

3. Непосредственный метод изменения угла наклона вращения роликов с помощью поворотного механизма и измерение угла с помощью кругового датчика, повышающими точность позиционирования формообразующего инструмента.

4. Уменьшение числа одновременно работающих исполнительных механизмов, что снизит нагрузку на систему управления и повысит скорость обработки поступающей информации.

Основными отличиями данной линии являются:

• возможность использовать ее как для изотермической раскатки из труднодеформируемых жаропрочных сплавов заготовок дисков, так и изотермической ротационной вытяжки заготовок валов,

• данная линия даст возможность раскатывать заготовки большего диаметра -до 1200 мм.

Примечание:

1. Необходимо предусмотреть возможность шлифования раскатных роликов без снятия с оборудования.

2. В процессе проектирования возмодно уточнения технического предложения.

Директор

Начальнш

Заместите

Гейкин В.А.

Бурлаков И.А.

Шаронова Н.И.

Морозов С. В.

Морозов В В.