Разработка метода штамповки заготовок титановых лопаток компрессора ГТД, обеспечивающего их структурную однородность тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Рассудов Никита Владимирович

• Рассудов Никита Владимирович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Рассудов Никита Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ

1.1 Состояние лопаточного производства при изготовлении турбовентиляторных двигателей

1.2 Металлография дефектов

1.3 Описание структурной неоднородности при штамповке на кривошипных и электровинтовых прессах

1.4 Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЗАГОТОВОК ЛОПАТОК ГТД С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ

2.1 Анализ дефектов при производстве лопаток в кузнечно-штамповочном переделе

2.2 Модель формирования зоны контакта в процессе штамповки лопатки ГТД, учитывающая условия возникновения структурной неоднородности

2.3 Основные требования к проведению экспериментальных исследований, позволяющих оценить степень предрасположенности к возникновению дефектов в штамповке лопаток компрессора ГТД

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД

3.1 Моделирование технологического процесса штамповки

3.2 Анализ результатов процесса моделирования и построение графических зависимостей

3.3 Математическое моделирование деформационного и температурного состояния заготовки, формирующее структуру профиля

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

4.1 Анализ структуры титановых образцов по различным схемам штамповки

4.2 Планирование эксперимента

4.3 Экспериментальная проверка математической модели получения требуемой структуры материала при штамповке титановых сплавов на электровинтовом прессе

4.4 Экспериментальные исследования фасонирования заготовок для титановых лопаток выдавливанием на двухкоординатном гидравлическом прессе

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

5.1 Разработка методики оптимизации

5.2 Программное обеспечение моделирования процесса штамповки

5. 3 Практические рекомендации по использованию разработок в производстве

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

158

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода штамповки заготовок титановых лопаток компрессора ГТД, обеспечивающего их структурную однородность»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач совершенствования авиационных двигателей является повышение их надежности и ресурса.

Надежность газотурбинных двигателей (далее ГТД) в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, поскольку они являются наиболее нагруженными деталями.

Исходя из требований к эффективности, экономичности и надежности современных летательных аппаратов, связанных с уменьшением материалоемкости, увеличением удельной прочности и жесткости конструкции наиболее перспективными являются титановые сплавы, такие как ВТ3, ВТ3-1, ВТ6, ТА6У и подобные им марки титанов. Лопатки из этих материалов подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок.

Технологический процесс изготовления лопаток должен обеспечивать их высокое качество, надежность и заданный ресурс. Вместе с тем при выборе способа обработки массовых деталей, таких как лопатки ГТД, необходимо учитывать и экономическую эффективность.

Заготовительные технологические процессы производства лопаток ГТД должны обеспечивать их требуемые геометрические параметры, внутреннюю структуру и физико-механические свойства, предотвращение появления потенциальных очагов разрушений.

Изготовление рациональных заготовок компрессорных лопаток с минимальной материалоемкостью, наименьшей себестоимостью и снижением трудоемкости и объема ручных работ при последующей механической обработке является одной из главных задач, исходя из этого с учетом экономической целесообразности, компрессорные лопатки изготавливают штамповкой с последующей механической обработкой или ЭХО.

В настоящее время в производстве заготовок лопаток компрессора штамповку лопаток можно разделить на две основные группы: штамповка стальных и

титановых лопаток на кривошипных и электровинтовых прессах и изотермическая штамповка лопаток из титановых сплавов.

При внедрении данных способов в производство можно найти как преимущества одно способа над другим, так и их недостатки, но в целом эти способы взаимно дополняют друг друга.

Основные виды дефектов при штамповке на кривошипных и винтовых прессах показаны на рисунке 1.1.

в г

Рисунок 1.1- Основные виды дефектов при штамповке: заков (а), надиры и заков (б), повышенные точечные дефекты (в), завышенная шероховатость (г)

Данные дефекты видны невооруженным глазом, и такие заготовки либо бракуются сразу, либо при проведении зачистки до минимально возможного припуска пропускаются на окончательную обработку.

Однако при штамповке титановых лопаток встречаются и дефекты структурной неоднородности, выявить которые помогает дефектоскопическое травление.

Появление подобных дефектов может быть вызвано рядом факторов как включения тугоплавких металлов (молибден, цирконий и т.п.), вносимых с шихтовыми материалами при изготовлении полуфабриката (прутка, полосы и т.п.), так и несоблюдение технологических параметров при штамповке лопаток.

С целью снижения стоимости изготовления титановых лопаток было принято решение изготавливать их альтернативным изотермической штамповке способом - штамповке на электровинтовых прессах - это позволило бы существенно сократить, как стоимость, так и сроки подготовки производства.

При внедрении горячей штамповки титановых лопаток компрессора на электровинтовых прессах на некоторых номерах лопаток в зависимости от конфигурации деталей при контроле структуры лопаток на операции дефектоскопического травления стали выявляться дефекты структурной неоднородности в виде белой полосы внутри профиля пера, что является недопустимым дефектом.

Объектом исследования являются технологические процессы штамповки титановых лопаток компрессора

Предметом исследований настоящей работы является интенсификация процесса штамповки титановых сплавов на механических и электровинтовых прессах, не приводящих к возникновению структурной неоднородности

Цель работы: разработка метода штамповки лопаток компрессора ГТД, обеспечивающего их надежность за счет исключения структурной неоднородности

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование механизма возникновения структурной неоднородности с целью создания оптимальных режимов штамповки, при которых неоднородность отсутствует.

2. Разработка математической модели штамповки титановых сплавов, учитывающей условия возникновения структурной неоднородности.

3. Разработка компьютерной модели штамповки титановых сплавов для выполнения расчетов деформационных процессов.

4. Сопоставление компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований на натурных образцах и лопатках с проведением сопутствующих металлургических исследований.

5. Разработка методики по заданию деформационных параметров, обеспечивающих качественное структурное формирование.

6. Разработка рекомендаций по формированию технологического процесса штамповки титановых лопаток на электровинтовых и механических прессах с дальнейшим внедрением в производство.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. установлен механизм возникновения структурной неоднородности при штамповке титановых сплавов;

2. предложен метод интенсификации процесса штамповки титановых сплавов на механических и электровинтовых пресса, не приводящий к возникновению структурной неоднородности;

3. на основе компьютерного моделирования процесса штамповки автором разработаны блок - схема и алгоритм проектирования, позволяющие формировать технологический процесс штамповки заготовок лопаток предопределяющих их структурную однородность и тем самым последовательно, технологическую пригодность.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. разработана методика по заданию параметров, обеспечивающих качественное структурное формирование;

2. по разработанной методике деформирования титановых сплавов, получены рекомендации по формированию технологического процесса штамповки заготовки лопатки с требуемыми механическими свойствами и качественной структурой заготовки.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.07.05 -Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов. Соответствует п. 9 Теоретические основы и технологиче-

ские процессы изготовления деталей двигателей и агрегатов летательных аппаратов, включая технологическую подготовку производства, в том числе автоматизированные системы проектирования и управления, технологические процессы и специальное оборудование для формообразования и обработки деталей двигателей, их защита.

Методы диссертационного исследования. Теоретические исследования проводились с использованием фундаментальных положений механики, теории обработки металлов давлением, теории пластической деформации, методов моделирования на ЭВМ. В работе использовались теоретические основы изготовления деталей газотурбинных двигателей. Экспериментальные исследования выполнены в производственных и лабораторных условиях на специальном оборудовании с использованием методов планирования эксперимента и системы автоматизированной фиксации экспериментальных данных. Достоверность научных выводов обеспечивается использованием современных методов обработки расчетных и экспериментальных данных: MathStat - 5, Statgraf и др.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы на ПАО «ОДК - Сатурн» при разработке и оптимизации процесса пластической деформации титановых сплавов.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на форуме «Моделирование процессов штамповки, прокатки, и прессования в QForm» (Москва, 2019), и на V, VI Международных технологических форумах «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2018, 2019).

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ

Авиадвигателестроение - наукоемкая, высокотехнологичная и динамично развивающаяся отрасль, эффективная работа которой, имеет существенное значение для обороноспособности и социально-экономического развития государства. Мировое авиадвигателестроение - отрасль промышленности, в которой происходит постоянное повышение качества авиационных двигателей (надежности, ресурса, экологических характеристик, экономичности, эксплуатационной технологичности и доступности). Однако при этом увеличивается стоимость их создания и производства.

Авиационный двигатель - «ключевое звено» любого летательного аппарата, в котором реализуются наиболее прогрессивные научные и конструктивно-технологические решения, используемые в дальнейшем в других изделиях энергетического машиностроения. Газотурбинному авиационному двигателестроению около семидесяти лет. За эти годы авиационный двигатель превратился в уникальное изделие машиностроения, аналогов которому по уровню напряжений и тепловому состоянию практически нет [1, 2, 3]. Эти результаты в сравнении с результатами, достигнутыми общим машиностроением, характеризуются наивысшими уровнями следующих основных показателей:

1) термодинамического совершенства;

2) совершенства по уникальным показателям массы и объема;

3) рабочей температуры газа в турбинах;

4) газодинамического совершенства и нагруженности компрессоров и турбин;

5) объемной теплонапряженности и экологического совершенства камер сгорания;

6) эффективности охлаждения и теплозащиты горячих элементов конструкции;

7) принципиально новых металлических и неметаллических материалов;

8) эксплуатационной надежности и безопасности.

Прогресс в авиадвигателестроении базируется на передовых достижениях технологии, материаловедения, химии, а также обеспечивается методологией организации всех стадий создания двигателей, научно-технологического задела, проектирования, производства и системы эксплуатации. По данным работ В. А. Скибина и В. И. Солонина [4] основные этапы развития авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) военной и гражданской авиации можно укрупнено характеризовать сменой поколений этих двигателей.

Понятие «поколения АД» оказывается довольно устойчивым и характеризуется преимущественным назначением АД, типажом и конструктивными особенностями разрабатываемых АД, уровнем параметров цикла, конструктивными элементами узлов (компрессор, турбина, камера сгорания), а также применяемыми технологическими процессами изготовления. Временные границы могут быть ориентировочно распределены так: 1-е поколение - к 1940 - 1950-м годам, 2-е - к 1950-м годам, 3-е - к 1960 - 1970-м годам, 4-е - к 1970 - 1990-м годам, 5-е - к 1990 - 2000-м годам (рис 1.2).

Пятое поколение ГТД, появившееся в конце 90-х годов, имеет температуру газа перед турбиной 1850 - 1950 К, минимальное число деталей и отношение тяги к массе для военных ТРДДФ 9...10 (рис 1.3), созданы высокосовершенные двухконтурные двигатели с большой степенью двухконтурности м = 8.10 и сверхбольшой степенью двухконтурности с редукторным приводом вентилятора PW8000, НК - 93.

В конструкции широко используются высокопрочные сплавы, монокристаллические турбинные лопатки с системой охлаждения, облегченные (полые или углепластиковые) рабочие лопатки вентилятора, высоконапорные ступени компрессора типа «блиск», соединенные сваркой трением, корпуса и другие ста-торные детали из композиционных материалов на основе органической, металлической и интерметаллидной матрицы, а также другие наукоемкие конструктивные и технологические решения.

Рисунок 1.2 - Этапы развития авиационных двигателей

Рисунок 1.3 - Изменение конструктивной схемы ТРДДФ.

1.1 Состояние лопаточного производства при изготовлении турбовентиляторных двигателей

Основными элементами любого ГТД являются входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина и выходное сопло. Принцип работы ГТД заключается в следующем. В условиях полета набегающий воздушный поток поступает во входное устройство двигателя, где за счет скоростного напора повышается давление воздуха. Компрессор осуществляет последующее сжатие воздуха. Сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где происходит сгорание топлива. Из камеры сгорания газовый поток, обладающий высокой потенциальной энергией, попадает в турбину. Расширяясь в турбине, он производит работу, которая расходуется на привод компрессора и всех вспомогательных агрегатов, обслуживающих двигатель. Дальнейшее расширение газового потока происходит в выходном сопле. При этом скорость истечения газа на выходе из сопла становится больше скорости полета, что приводит к увеличению количества движения газового потока, проходящего через двигатель, и обусловливает возникновение реактивной силы.

Лопатки являются основными высоконагруженными деталями ГТД. Они находятся в потоке воздуха (газа) и предназначены для изменения его параметров. Лопатки значительно различаются по габаритным размерам, конструктивным элементам пера и хвостовика. Такое разнообразие объясняется тем, что для различных летательных аппаратов (вертолетов, военных, транспортных и пассажирских самолетов) изготавливаются различные ГТД - малой, средней, большой мощности. Они значительно различаются геометрическими и термодинамическими параметрами, определяющими конструкцию лопаток. Основными конструктивными элементами лопаток являются перо, хвостовик, полки пера и хвостовика, антивибрационные и бандажные полки.

Размерно-конструктивный диапазон лопаток по данным К.И. Зудина, Ю.С. Елисеева и В.В. Крымова [5] основной массы лопаток компрессора, изготавливаемых на предприятии отрасли, показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Лопатки компрессора

Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестрое-нии, что обусловливается рядом факторов, главными из которых являются:

- сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток;

- высокая точность изготовления;

- применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток;

- массовость производства лопаток;

- оснащенность технологического процесса производства лопаток дорогостоящим специализированным оборудованием;

- общая трудоемкость изготовления.

Лопатки компрессора и турбины являются самыми массовыми деталями газотурбинных двигателей. Их число в одном моторокомплекте доходит до 3000, а трудоемкость изготовления составляет 25...35 % от общей трудоемкости двигателя.

Перо лопатки имеет протяженную сложную пространственную форму. Длина рабочей части пера составляет от 30 - 800 мм с переменным профилем в поперечных сечениях вдоль оси. Эти сечения строго ориентированы относительно

базовой расчетной плоскости и профиля замковой части. В поперечных сечениях заданы расчетные значения точек, определяющих профиль спинки и корыта лопатки в координатной системе. Значения этих координат задаются табличным способом. Поперечные сечения повернуты относительно друг друга и создают закрутку пера лопатки.

Точность профиля пера лопатки в координатной системе определяется допустимым отклонением от заданных номинальных значений каждой точки профиля пера. В примере это составляет 0,5 мм, угловая погрешность при этом по закрутке пера не должна превышать значения 20'.

Толщина пера имеет малые значения, на входе и выходе воздушного потока в компрессор она для различных сечений изменяется от 1,45мм до 2,5мм. При этом допуск на толщину колеблется от 0,2 до 0,1мм. Высокие требования предъявляются также для формирования радиуса перехода на входе и выходе пера лопатки. Радиус при этом изменяется от 0,5мм до 0,8мм.

Шероховатость профиля пера лопатки должна быть не ниже 0,32мкм.

В средней части пера лопатки расположены опорные бандажные полки сложной профильной конструкции. Эти полки играют роль вспомогательных конструкторских поверхностей лопаток, и на их опорные поверхности наносятся твердосплавные покрытия карбида вольфрама и карбида титана. Средние бандажные полки, соединяясь между собой, создают единое опорное кольцо в первом колесе ротора компрессора.

В нижней части лопатки расположена замковая полка, которая имеет сложную пространственную форму с изменяемыми параметрами сечений. Нижние полки лопаток создают замкнутый контур в колесе компрессора и обеспечивают плавность подачи воздуха в компрессор. Изменение зазора между этим полками выполняется в пределах 0,1...0,2мм. Верхняя часть пера лопатки имеет фасонную поверхность, образующая которой точно расположена относительно профиля замка и входной кромки пера лопатки. От точности выполнения этого профиля зависит зазор между вершинами лопаток и корпусом колеса статора компрессора.

Рабочий профиль пера лопатки бандажных полок, и замка подвергается

упрочняющим методам обработки с целью создания на образующих поверхностях сжимающих напряжений.

Высокие требования предъявляются также к состоянию поверхностей лопаток, на которых не допускаются трещины, прижоги и другие дефекты производства.

Материал лопатки относится ко второй группе контроля, которая предусматривает тщательную проверку качества каждой лопатки. Для партии лопаток готовится также специальный образец, который подвергается лабораторному анализу. Требования, предъявляемые к качеству лопаток компрессора, весьма высокие.

Способы получения исходных заготовок для таких деталей и использование традиционных и специальных методов при дальнейшей обработке определяют выходные качественные и экономические показатели производства. Исходные заготовки лопаток компрессора получают методом штамповки. При этом могут быть получены заготовки повышенной точности с малыми припусками на механическую обработку.

Самыми массовыми и тяжелонагруженными деталями газотурбинных двигателей являются лопатки компрессора и турбины, поэтому надежность двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток, которые испытывают циклические термические напряжения и подвергаются воздействию статических и динамических нагрузок.

Лопатки компрессора должны обеспечивать надежность, качество и требуемый ресурс. При возрастающих объемах производства двигателей особое внимание уделяется внедрению передовых прогрессивных технологических процессов изготовления титановых лопаток компрессора с обеспечением высокой экономической эффективности.

Более подробно способы изготовления лопаток ГТД освещены в работах В. В. Крымова, Ю. С. Елисеева, К. И. Зудина [5], Г. К. Язова, Б. Е. Карасева, М. И. Евстигнеева, А. М. Сулимы, Н. Д. Проничева, И. Л. Шитарева и др. [6, 7, 8, 9]

Основные технологические маршруты изготовления заготовок лопаток ро-

тора компрессора, могут быть сведены к нескольким наиболее известным и распространенным вариантам:

1) отрезка исходной мерной заготовки от прутка, переходы горячей вальцовки для оформления перовой части, переходы штамповки, обрезка облоя.

2) отрезка исходной мерной заготовки от прутка, наборные переходы высадки замковой части, переходы штамповки, обрезка облоя.

3) отрезка исходной мерной заготовки от прутка, наборные переходы высадки замковой части, переходы горячей вальцовки для оформления перовой части, переходы штамповки, обрезка облоя.

4) резка прутка (поперечное сечение - круг) на исходные мерные заготовки, осадка мерной заготовки по образующей, выдавливание заготовки под штамповку, переходы штамповки, обрезка облоя.

Рассмотренные выше варианты являются основными, то есть широко используемыми маршрутами технологических процессов получения заготовок лопаток ротора компрессора ГТД, что, конечно же, не исключает возможность использования других вариантов.

В машиностроении процессы штамповки, свойства и особенности титановых сплавов рассматривались в работах многих отечественных и зарубежных ученых: М. Я. Белкина А.Л. Еськова [10], Ю. П. Согришина, В.А. Тишакова [11],

A. А. Петухова [12], М. В. Славина, М.З. Ермакова [13, 14], И.А. Павлова [15],

B.К. Смирнова, [16], В. П. Зрюмова [17] А. С. Матвеева [18 - 27], В. Б. Мамаева, М. Л. Первова [28 - 34] J. Fix [35], F. Maturana [36] и других [37 - 46].

Рассматривая укрупнено технологический процесс изготовления титановых лопаток компрессора, можно разделить его на 3 составляющих: фасонирование, штамповку и механическую обработку.

Фасонирование - при этом наиболее часто используется операция высадка на специализированных горизонтально - ковочных машинах (ГКМ). Стержень высаженной этим способом заготовки имеет постоянное поперечное сечение, площадь которого выбирается по площади максимального сечения пера заготовки лопатки из условия устойчивости заготовки при высадке хвостовой части.

Фасонирование заготовок под последующую штамповку лопаток является необходимым условием обеспечения высокого значения коэффициента использования металла и сокращения числа переходов при штамповке.

Штамповка на винтовых и кривошипных прессах была и пока остается наиболее распространённым способом получения заготовок лопаток компрессора объемным деформированием. Припуск по перу на заготовках, полученных этим способом, находится в пределах 1,5...3 мм на сторону.

Также применяется изотермическая штамповка, которая, заключается в том, что в заготовке, инструменте и окружающем их ограниченном пространстве создается и постоянно поддерживается температура, обеспечивающая оптимальную пластичность металла обрабатываемой заготовки. Деформирование осуществляется при малых скоростях, поэтому разупрочняющие процессы (возврат и рекристаллизация) успевают протекать в его ходе, что повышает технологическую пластичность металла и резко снижает сопротивление пластическому деформированию. Метод деформирования в изотермических условиях освоен на ряде предприятий отрасли. Он применяется при точной штамповке заготовок лопаток компрессора из титановых и других жаропрочных сплавов с припуском по перу 0,2.0,6 мм на сторону.

Штамповка заготовок лопаток без припуска по перу одно из перспективных направлений в производстве для наиболее массовых лопаток с высотой пера до 120 мм.

Наиболее производительным процессом, является горячая штамповка на электровинтовых прессах стальных и титановых лопаток компрессора.

Современная номенклатура используемых на заводах объединенной двига-телестроительной корпорации (ОДК) лопаток компрессора для авиадвигателей, промышленных газовых турбин включает 10 основных типов, имеющих более 200 типоразмеров (от 10 до 650 мм), представленных в табл. 1.1. Используемый материал: алюминий, титан - часто используемые марки: ВТ3 -1, ВТ6, ВТ8М, ВТ20, ТЛ6У и жаропрочные хромо-никелевые сплавы.

Таблица 1.1 - Типы лопаток ГТД

№ п/п

Наименование лопаток

Диапазон высотных размеров, мм

Фотография лопатки

Рабочие с «точеным» хвостовиком

25-150

2

Направляющие поворотные

30-600

3

Рабочие и направляющие с замком типа «ласточкин хвост»

20-450

1

Продолжение таблицы 1.1

№ п/п

Наименование лопаток

Диапазон высотных размеров, мм

Фотография лопатки

4

Лопатки направляющего аппарата «беззамковые»

10-70

Рабочие с замком типа «проушина»

300-400

6

Лопатки статора двух-полочные

35-400

5

Продолжение таблицы 1.1

№ п/п

Наименование лопаток

Диапазон высотных размеров, мм

Фотография лопатки

7

Направляющего аппарата с «точеной» полкой

30-200

8

Направляющего аппарата с «вваривамой» полкой

40-150

9

Лопатки статора с полкой и цапфой

140-400

Окончание таблицы 1.1

1.2 Металлография дефектов

В поковках, штамповках и других полуфабрикатах, а также в готовых деталях из титановых сплавов встречаются различного вида дефекты, недопустимые при использовании деталей в изделиях при их работе. Более подробно о различного рода дефектах сказано в работах Б.Н. Арзамасова, В.И. Макарова, Г.Г. Мухина, В. Э. Лейпи, Г. К. Катая [47 - 50]. Эти дефекты, не всегда обнаруживаются в слитках и нередко выявляются в процессе механической обработки полуфабрикатов, после травления, а также при контроле окончательно готовых деталей. Исследования дефектов, встречающихся в деталях их титановых сплавов, позволяют разделить их на три группы: дефекты металлургического, технологического и эксплуатационного происхождения.

Дефекты металлургического происхождения могут быть сведены к четырем видам:

1) металлические включения;

2) неметаллические включения (окислы карбиды, нитриды);

3) включения в виде полос или слоев, отличающихся от основного материала различной травимостью и химическим составом (включения другого сплава);

4) химическая (ликвационная) неоднородность - участки, обедненные или обогащенные легирующими элементами или примесями.

Описанные дефекты металлургического происхождения не всегда выявля-

ются существующими методами контроля качества слитков. Поэтому необходимо, с одной стороны, разрабатывать более совершенные методы контроля слитков, выявляющие подобные дефекты, а с другой, более тщательно подбирать, очищать и контролировать отходы, которые вводятся при выплавке слитков, с тем, чтобы избежать образования таких дефектов, а также отбраковывать окисленные куски, встречающиеся в качественной губке.

Дефекты технологического происхождения в отличие от дефектов металлургического происхождения, которые образуются при выплавке слитков, возникают в процессе передела слитков, деформации полуфабрикатов, изготовления деталей. К таким дефектам относятся кусочки различных посторонних материалов на поверхности, случайно попавшие при деформации или обработке поверхности, деформационные трещины и поры (поверхностные и внутренние), окисленный слой на поверхности, структурная неоднородность, связанная с неравномерностью течения металла при деформации и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рассудов Никита Владимирович, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прогрессивные технологии моделирования, оптимизации и интеллектуальной автоматизации этапов жизненного цикла авиационных двигателей: Монография / А. В. Богуслаев и др.; под ред. Д. В. Павленко, С. А. Субботина. - Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2009. - 468 с.

2. Иноземцев, А. А. Газотурбинные двигатели / А. А. Иноземцев, В. Л. Сандрацкий. - Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006. - 1204 с.

3. Братухин, А. Г. Авиастроение России / А. Г. Братухин. - М.: Машиностроение, 1995. - 392 с.

4. Скибин, В. А. Двигатели летательных аппаратов. Особенности изготовления и испытаний / В. А. Скибин, Ю. И. Павлов, А. Г. Хворостухин и др.; под ред. В. А. Скибина. - М.: «МАТИ»-РГТУ, 2001. - 257 с..

5. Крымов, В.В. Производство газотурбинных двигателей [Текст] / Ю.С. Елисеев, К.И. Зудин. Под ред. В.В. Крымова - М.: Машиностроение, 2002.-376 с

6. Евстигнеев, М. И. Технология производства двигателей летательных аппаратов / М. И. Евстигнеев, А. В. Подзей, А. М. Сулима. - М.: Машиностроение, 1982. - 263 с.

7. Сулима, A. M. Основы технологии производства воздушно-реактивных двигателей / А. М. Сулима, А. А. Носков, А. В. Подзей и др. - М.: Машиностроение, 1993. - 480 с.

8. Кожина, Т. Д. Автоматизация технологии изготовления газотурбин-ныхавиационных двигателей. В 2-х ч. Ч. 2 / Т. Д. Кожина, И. Д. Юдин, В. А. По-летаеви др.; под ред. Т. Д. Кожиной и И. Д. Юдина - М.: Машиностроение, 2012.272 с.

9. Безъязычный, В.Ф. Автоматизация технологии изготовления газотурбинных авиационных двигателей. Часть первая / В.Ф. Безъязычный, В.А. Полетаев, Т.Д. Кожина и др.; Под ред. В.Ф. Безъязычного и В.Н. Крылова. - М.: Машиностроение, 2012.- 560с.

10. Белкин, М.Я. Ковка с предварительным охлаждением поверхности крупных заготовок - эффективный метод повышения однородности механических свойств / М.Я. Белкин, А.Л. Еськов, В.Н. Адамова // КШП. - 1980. - №4. - С.12.

11. Согришин Ю.П. Экспериментальное определение технологических характеристик металлов и сплавов / Ю.П.Согришин, В.А.Тишаков, Л.Г.Гришин, Ю.А.Магай // КШП. - 1980. - №2. - С.10.

12. Петухов А.А. Сопротивление усталости деталей ГТД. - Машиностроение, 1993. - 204 с..

13. Славина М.В. Условия трения при прессовании высокопрочных титановых сплавов и выбор стеклосмазочных материалов / Славина М.В., М.З.Ермаков, Н.К.Цапалова, С.Д.Афанасьев // КШП. - 1990. - №5. - С.13 - 14.

14. Ермаков М.З. Сопротивление деформации высокопрочных титановых сплавов / Ермаков М.З., М.В.Славин // КШП. - 1989. - №12. - С. 4 - 5.

15. Павлов И.А. Некоторые проблемы изготовления точных заготовок лопаток с использованием эффекта сверхпластичности / И. А. Павлов // КШП. -1989. - №2. - С. 10 - 12.

16. Смирнов В.К., Опыт применения малоотходной технологии штамповки поковок лопаток из титановых сплавов / Смирнов В.К., К.И.Литвинов, В.А.Волков, А.Н.Леванов, С.В.Харитонин // КШП. - 1997. - №1. - С. 10 - 13

17. Зрюмов В.П. Условия стабильности качества штампованных заготовок из титановых сплавов / Зрюмов В.П., Листвин Г.П., Евменов О.П., Родионов В.Л. // КШП. - 1987. - №11. - С. 29 - 31.

18. Матвеев, А.С. Справочник кузнеца / А.С. Матвеев, В.А. Кочетков Москва, 2011.

19. Способ обработки материалов давлением // Патент на изобретение RUS 2414319. 2010/ В. А. Полетаев, А. С. Матвеев, Р.А.Казаков

20. Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей // Патент на изобретение RUS 2422257. 2009/ А.С. Матвеев, В.В. Коршунова

21. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРУТКИ ДЕТАЛИ // Патент на изобретение RUS 2358825. 2007 / А.С. Матвеев, Д.В. Волков, В.В. Андреев, И.В. Ильин

22. Способ изготовления деталей точной объемной штамповкой // Патент РФ № 2355503. 2004 // М. Беньон, К. Куньо, М. Лепти и др.

23. Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя // Патент на изобретение RUS 2257277. 2004 / А.С. Матвеев, Г.И. Зубарев, В.В. Андреев

24. Матвеев, А.С. Способ структурообразования материала прутковых заготовок прессованием в подвижных матрицах / А.С. Матвеев, Р.А. Казаков, А.В. Иванов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2014. - № 1. - С. 10 - 16.

25. Матвеев, А.С. Метод и устройство для получения ультрамелкозернистой структуры материала прутковых заготовок / А.С. Матвеев, Р.А. Казаков, Ю.С. Шумкина // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2014. - № 11 (41). - С. 10 - 13.

26. Ильин, И.В. Новые методы изготовления широкохордных лопаток ГТД / И.В. Ильин, А.С. Матвеев // Сборка в машиностроении, приборостроении. -2007. - № 11. - С. 9 - 11.

27. Мамаев, В.Б. Выбор и назначение технологических параметров изотермической штамповки заготовок лопаток ГТД с учетом размерной стойкости деформирующего инструмента / В.Б. Мамаев, М.Л. Первов, В.А. Кочетков // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. - 2013. - № 3 (26). - С. 50 - 59.

28. Первов, М.Л. Изготовление лопаток ГТД из жаропрочных тугоплавких сплавов с защитным покрытием / М.Л. Первов, С.А. Первова, А.С. Скобелева // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. - 2012. - № 2 (23). - С. 53 - 57.

29. Мамаев, В.Б. Размерная стойкость деформируемых жаропрочных сплавов, используемых в качестве материалов штампов для изотермической штамповки / В.Б. Мамаев, В.А. Кочетков, М.Л. Первов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2006. - № 8. - С. 17.

30. Паламарь, И.Н. Повышение точности контроля качества штамповок лопаток ГТД на основе сегментации изображения микроструктуры методом выращивания и слияния областей / И.Н. Паламарь, М.Л. Первов, К.А. Рыбаков, П.В. Сизов // Контроль. Диагностика. - 2014. - № 2. - С. 58 - 64.

31. Мамаев, В.Б. Методика и установка для испытания материалов деформирующего инструмента для изотермической штамповки / В.Б. Мамаев, В.А. Кочетков, М.Л. Первов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2006. - № 8. - С. 4 - 10.

32. Мамаев, В.Б. Размерная стойкость деформируемых жаропрочных сплавов, используемых в качестве материалов штампов для изотермической штамповки // В.Б. Мамаев, В.А. Кочетков, М.Л. Первов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2006. - № 8. -С. 52 - 55.

33. Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей // Патент на изобретение RUS 2013179. / Е.А. Антонов, А.С. Вяткин, А.С. Матвеев, Е.Е. Сухопара, В.Б. Мамаев.

34. Fix, J. Mechanism of explosive welding of materials / J. Fix // Dymat'88, Ajaccio-France, Sept. 19-23, 1998.

35. Maturana, F. Multi-Agent Mediator Architecture for Distributed Manufacturing / F. Maturana, D. H. Norrie // Journal of Intelligent Manufacturing. - 1996. -№7.- P. 257-270.

36. Рогов, В. А. Современные машиностроительные материалы и заготовки / В. А. Рогов, Г. Г. Позняк.- М.: Академия, 2008.-336 с.

37. Безъязычный, В. Ф. Разработка методологии обеспечения требуемого уровня производительности изготовления деталей при различных типах машиностроительного производства / В. Ф. Безъязычный, А.С. Матвеев, А.Н. Рябов // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. - 2014. - № 3 (30). - С. 89 - 95.

38. Фитин, С.З. Перспективы применения деформируемых жаропрочных сплавов в качестве штампов для изотермической штамповки / С.З. Фитин, Ю.С. Недоуров, В.Б. Мамаев, Ю.В. Смирнова, В.П. Веденеев, В.А. Кочетков // Авиационная промышленность. - 1987. - № 6. - С. 32.

39. Способ изготовления штамповок лопаток из двухфазного титанового сплава // Патент на изобретение РФ № 2525961. 2013 / В.В. Андреев, В.Б. Быст-ров, Р.А. Казаков.

40. Леонов, Б. Н. Технологическое обеспечение проектирования и производства газотурбинных двигателей / Б. Н. Леонов, А. С. Новиков, Е. Н. Богомолов и др. - Рыбинск: Рыбинский дом печати, 2002. - 407 с.

41. Безъязычный, В. Ф. Технологические процессы механической и физико - химической обработки в авиадвигателестроении - М.: Машиностроение 2001. - 290 с.

42. Сосунов, В. А., Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок / В. А. Сосунов, В.М. Чепкин. - Москва, издательство МАИ 2003. - 677 с.

43. Логунов, А. В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток дисков и газовых турбин - Рыбинск, ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии» 2017. - 855 с.

44. Скибин, В. А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор) / В. А. Скибин, Солонин В. И. - Москва, ЦИАМ 2004. - 420 с.

45. Полетаев, В. А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей - Москва, Машиностроение 2006. - 255 с.

46. Лейпи, В.Э. Дефекты в виде полос и трещин в штамповках из сплава ВТ9. // Технология легких сплавов. - 1972. - №8. - С. 50 - 53.

47. Катая, Г.К. Влияние формы очага деформации на течение металла при штамповки изделий тонкого сечения из титановых сплавов / Г.К. Катая, В.К. Катая, Ю.И. Потапенко // Технология легких сплавов. - 1979. - №8. - С. 50 - 61

48. Катая, Г.К. Исследование влияния термомеханических параметров и условий деформирования на структуру и механические свойств штамповок из сплава ВТ3-1 / Г.К. Катая, В.К. Катая, Л.С. Мещанинова и др // Технология легких сплавов. - 1980. - С. 50 - 53.

49. Аношкин, Н. Ф. Локализация деформации при горячей обработке титановых сплавов / Н. Ф. Аношкин, В. К. Катая, Г. К. Катая // Кузнечно-штамповочное производство. - 1983. - №8. - С. 24-26.

50. Быля, О. И. Моделирование эволюции крупнозернистой микроструктуры а + в титановых сплавов в процессах горячей штамповки с использованием метода конечных элементов / О.И. Быля, П. Л. Блекелл, Р. А. Васин, М. К. Саран-джи // КШП. - 2016. - №11. - С.15 - 20.

51. Салищев, Г. А. Применение математического моделирования в разработке технологии подготовки однородной мелкозернистой микроструктуры титановых полуфабрикатов / Г.А. Салищев, В.Г.Рыжков, Н.Л.Годин, М.И.Мазурский, Е.А.Омельченко // КШП. - 1989. - №2. - С.7 - 10.

52. Кутышкин, А.В. Математическое моделирование формоизменения заготовок при открытой горячей штамповке / КШП. - 1995. - №6. - С. 12 - 15.

53. Чачин, В.Н. Направления развития работ в области обработки металлов давлением в Физико-техническом институте АН БССР / КШП. - 1980. - №7. -С. 3.

54. Сафаров, Ю.С. О моделировании пластических деформаций / КШП. -1974. - № 8. - С. 1 - 6.

55. Унксов, Е.П. Методы моделирования процессов обработки металлов давлением / КШП. - 1975. - № 4. - С. 1 - 5.

56. Барань, Я. Моделирование процесса горячей объемной штамповки / Я.Барань, И. Цегледи, Ш. Жила // КШП. - 1985. - № 3. - С. 5 - 6.

57. Стебунов, С.А. 25 лет программе моделирования процессов обработки металлов давлением QForm / КШП. - 2016. - № 11. - С. 15 - 20.

58. Altan T., Ngaile G., Shen G. Cold ahd Hot Forgings: Fundamentals and Applications. ASM International, Materials Park, 2005. 333p.

59. Manson S.S., Halford G.R. Fatigue and Durability of Structural Materials. ASM International, 2006. 456 p.

60. ASM Handbook. Vol.14A: Metalworking: Bulk Forming. ASM International, 2005. 816 p.

61. ASM Handbook. Vol.9: Metallography and Microstructures. ASM International, 2004. 2733 p.

62. ASM Handbook. Vol.3: Alloy Phase Diagrams. ASM International, 1992. 1741 p.

63. Власов, В. А. Конечно - элементное моделирование технолгических процессов ковки и объемной штамповки - Москва, издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2019 - 377 с.

64. Петреченко, В. А. Потенциал российских инноваций на рынке систем автоматизации и робототехники [Электронный ресурс] -Режим доступа: http: //www.rusventure. ru/ru/pro gramm/analytics/docs/Otchet robot-FINAL%20291014.pdf.

65. Смирнов, А.М. Основы автоматизации кузнечно-прессовых машин / А.М. Смирнов, К. И. Васильев. - М.: Машиностроение, 1987. - 272 с.

66. Belfingroup. Роботизированные технологии [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://belfingroup.com/o-belfingrupp/publikaczii/kompleksnoetexperevooruzhenie.

67. Robotforum. Портал, посвященный промышленным роботам [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //robotforum.ru/novosti-texnogologij/promyishlennyie-robotyi-v-czifrax.html

68. Robotics-aisbl [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.eu-robotics.net/about/about-eurobotics-aisbl/.

69. Техническая планета [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //tehpl aneta.ru/category/robototekhnika.

70. Робототехника [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://roboticslib.ru/books/item/f00/s00/z0000005/st030.shtml

71. Kuka robotics [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.kuka-

robotics.com/ru/solutions/solutions search/print/L R267 Robots Link Drop Forging Process.htm

72. Kuka robotics [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.kuka-robotics.com/russia/ru/products/

73. Fanuc [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www.fanuc.coj p/en/product/robot/index.html

74. ABB [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.abb.ru/robotics

75. ИЛК - ИНЖИНИРИНГ [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.Ilk.ru.

76. ОАО "ЭНИКмаш-В" - Кузнечно-прессовое оборудование [Электронный ресурс] - Режим доступа:. http: //www.enikmash.ru/?p=2&cat= 12

77. Buderus Edelstahl Schmiedetechnik GmbH [Электронный ресурс] - Ре-жимдоступа: http: //www.buderus-steel .com/buderus/en.

78. Семенов, Е.И. Робототехнологические комплексы для листовой штамповки мелкихдеталей / Е. И. Семенов, Н. Ф. Кравченко. - М.: Машиностроение, 1989. - 288 с.

79. Белянин, П.Н. Промышленные роботы и их применение: Робототехника для машиностроения. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 311 с.

80. Смирнов, А.М. Основы автоматизации кузнечно-прессовых машин. / А.М. Смирнов, К.И. Васильев. - М.: Машиностроение, 1987. - 272c.

81. Ben-Zion Sander. ROBOTICS. Designing the Mechanisms for Automated Machinery / Ben-Zion Sander - Academic Press, 1999. - 444 p.

82. Electrotherm Electrical & Metal Products Ltd [интернет ресурс]. http: //www.electrothermindustry.com

83. Козырев, Ю. Г. Применение промышленных роботов : учебное пособие для вузов. - М.: КноРус, 2013. - 488 с

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЫ

об использовании результатов диссертационной работы Н В. Рлссу лова .. Рл рраби I ка жюда штамповки лопаток компрессора РГД. обеспечивающего

нч надежность и счет исключении структурной неоднородное!и», представленной на еанскамне ученой степени клнлкллггп технические наук, в

учебном процессе ФГЬОУ ВО РГ АТУ имени П.А. Соловьева

Мы. нижеподписавшиеся, мвелуюший кафедрой «Авиационные двигагелк». локтор технических наук, профессор Ремизов А.Е. и доцент кафедры «Авиационные двигатели», канд. техн. наук, доцент С.Е. Белова составили настоящий цк1 о ты. что реплыаш диссертационной работы Н В. Рассудова «Разработка метода штамповки тол а то* компрессор«» I I Д, обеспечивающего их надежность ад счет исключения структурной неоднородности»- внедрен в учебный процесс кафедры •• Авиационные двигатели» РГАТУ имени П А Соловьева при обучении бакалавров по направлению 1305.01 "Энсрюобеепечсжк предприятий» при проведении лекционных занятий по дисциплине «Надежность и качество ГТУ», л также ■три обучении магистров ПО направлению 13 0401 «Теплоэнергетика и

теплотехника» при проведении лекционных занятий по дисциплине

«Современные методы обесценения технических и Эксплуатационные

свойств энергетических машин».

Акт выдан для представления в диссертационный совет Д 212.210.01 но специальности 03.07.05 - Тепловые, электроракеткые двигатели и энергетические установки летательных а п парато в.

Заве дующий кафедрой

УТВЕРЖДАЮ Вр«о ректора РГАТУ имени 11. А. Соловьева

Л'Р фи1..мат. наук, профессор

акт

Доиент кафедры «Авнационны

канд. техн. наук, доиент

АКТ

Внедрения в производство результатов диссертационной работы Рассудоеа Никиты Владимировича «РАЗРАБОТКА МЕТОДА ШТАМПОВКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ИХ НАДЕЖНОСТЬ ЗА СЧЕТ ИСКЛЮЧЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ»

Комиссия я составе: Главный металлург Шаброн В.И, н начальник исшра производственно« компетенции «Лопатки компрессора» Кель А И составили настоящий инт о том. результаты диссертационной рабош Рассудова Н В. на ПАО «ОДК - Сатурн» используются в управлении I лаемого металлурга в кушечно-прессовом корпусе н чеханообрабаIываюикм корпусе при разработке технологически* процессов изготовления шотовок лопаток компрессора ГТД.

СОГЛАСОВАНО ПАО «ОДК-Сатурн»

Глаанрцй М4чадлур|

В И Шабров н/Л 2020г

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Расчет затрат на изготовление и ремонт штампов

ТП С ПРИПУСКОМ ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ШТАМПОВКА ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ТП

Ковочный штамп ( ЖС-6) Калибровочный штамп (ЖС-6) Ковочный штамп ( ЖС-6) Калибровочный штамп (ЖС-6) Термофик-сирующий штамп (ЖС-6) Ковочный предварительный штамп (ЭИ 958) Ковочный штамп (ЭИ 958)

Ориентировочная стоимость изготовления штампа , руб. 181 796 181796 247 265 247 265 247 265 163 539 163 539

Ориентировочная стоимость 1 ремонта, руб. 76 738 96 740 108 482 161 673 83 016 49 143 49 143

Стойкость штампа до первого ремонта, шт. 700 1 000 700 1 000 15 000 5 000 1 500

Стойкость штампа после восстановления, шт. 500 600 500 600 10 000 3 500 1 000

Количество возможных ремонтов 30 30 30 30 30 30 30

Ориентировочная стоимость ремонтов, руб. 2 302 140 2 902 200 3 254 460 4 850 190 2 490 480 1 474 290 1 474 290

Ориентировочные суммарные затраты до полного износа штампа с учетом всех ремонтов, руб.: 2 483 936 3 083 996 3 501 725 5 097 455 2 737 745 1 637 829 1 637 829

Количество штамповок, которые возможно изготовить до полного износа штампа, шт. 15 700 19 000 15 700 19 000 315 000 110 000 31 500

Доля стоимости штампа, приходящаяся на 1 штамповку, руб. 158,2 162,3 223,0 268,3 8,7 14,9 52,0

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Результаты моделирования заготовки штамповки лопатки ГТД из титанового сплава в программной среде РБОЯМ

Начало штамповки, позиционирование.

Промежуточное состояние заготовки во время штамповки.

Завершение операции штамповки заготовки лопатки ГТД.