Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 6
1.1 Конструктивно-технологические характеристики кольцевых и цилиндрических деталей ГТД 6
1.2 Технологические характеристики материалов заготовки 7
1.3 Способы изготовления кольцевых и цилиндрических деталей ГТД. 12
1.4 Теоретические исследования процессов изготовления кольцевых и цилиндрических деталей ГТД 22
1.5 Цели и задачи исследования 28
Глава 2. Функциональная зависимость напряжений от деформаций 29
2.1 Определение функциональной зависимости напряжений от деформаций с учетом температуры и скорости деформации 29
2.2 Расчетное уравнение функциональной зависимости 32
Глава 3. Теоретические основы определения технологических параметров процесса газовой формовки 37
3.1 Выбор оптимальной заготовки 37
3.2 Расчетная схема процесса газовой формовки 38
3.3 Теоретическое определение технологических параметров процесса 41
Глава 4. Конструктивная схема процесса газовой формовки 49
4.1 Выбор способа технологического процесса газовой формовки 49
4.2 Технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД 51
Глава 5. Моделирование технологического процесса формообразования тонкостенных листовых деталей 56
5.1 Расчетные уравнения для сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т 57
5.2 Расчетные кривые технологических параметров процесса газовой формовки для сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т 60
5.3 Рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов обработки 68
Глава 6. Практическая реализация результатов исследования ...71
6.1 Расчет технологических параметров процесса изготовления конической обечайки из сплава ОТ4-1 методом газовой формовки...'. „71
6.2 Расчет технологических параметров процесса изготовления сильфона ГТД из стали 12Х18Н1 ОТ методом газовой формовки 73
Общие выводы 77
Литература 78
Приложение
- Технологические характеристики материалов заготовки
- Расчетное уравнение функциональной зависимости
- Технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД
- Расчетные кривые технологических параметров процесса газовой формовки для сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т
Введение к работе
В современном авиадвигателестроении одним из путей технического прогресса является поиск и совершенствование технологических процессов изготовления деталей ГТД с целью повышения их качества, надежности, ресурса работы, а также снижения себестоимости и трудоемкости их производства.
В конструкцию газотурбинного двигателя входит множество кольцевых деталей с различной формой образующей (кожухи, корпуса, кольца жесткости, экраны, дефлекторы), к которым предъявляются повышенные требования к точности изготовления. Существующие способы изготовления подобных деталей (роликовая прокатка, листовая штамповка, обтяжка) характеризуются большой трудоемкостью,, многопереходностью обработки, необходимостью проведения промежуточных термообработок, к .тому же не всегда удается выдержать требуемый уровень качества и точности деталей, а в ряде случаев оказывается невозможным. Также вышеперечисленные методы требуют наличия, дорогого технологического оборудования, оснастки и являются довольно энергозатратными. Поэтому совершенствование технологических процессов обработки давлением крупногабаритных кольцевых и цилиндрических деталей из листового материала с использованием современных методов обработки является актуальной задачей.
Одним из прогрессивных способов изготовления кольцевых и цилиндрических деталей является формообразование заготовки раздачей инертным газом в нагретом состоянии или газовая формовка. Данный метод обладает рядом преимуществ, таких как повышенной размерной и геометрической точностью изготовления, отсутствием дефектов при формообразовании, расширенными технологическими возможностями, простотой оборудования. Однако существующие разработки по теме газовой формовки в основном посвящены формообразованию материала в . состоянии сверхпластичности, что требует дополнительных мероприятий по подготовке материала заготовки к последующей обработке. Это существенно сужает пределы применимости данного метода, особенно для авиапромышленности, где используется множество материалов, которые по тем или иным причинам не деформируются в сверхпластичном состоянии. Также для нахождения оптимальных режимов деформирования, а именно скорости деформации, температуры нагрева заготовки и потребного давления инертного таза требуется,математическое описание процесса и расчетные соотношения для определения этих параметров.
. В соответствии с этим, целью данной работы является разработка нового процесса газовой формовки на примере изготовления полых листовых деталей из титанового сплава ОТ4-1 и жаропрочной стали 12Х18Н10Т.
Технологические характеристики материалов заготовки
Надежность и эффективность использования газотурбинных двигателей зависят от уровня современного производства и технологических процессов изготовления сборочных единиц, деталей и элементов конструкции. Ограничения по габаритам и массе, предъявляемые к газотурбинным двигателям, высокая энергонапряженность, различные условия и режимы работы, большие механические нагрузки определяют сложные условия работы материалов двигательной установки.
При выборе материала заготовки принимают во внимание множество факторов, в числе которых основными являются: рабочие нагрузки; температурные условия работы деталей; назначение и срок службы двигателя.
Для газотурбинных двигателей, рассчитанных на длительную работу, теплонапряженные детали (детали жаровых труб, сопла) изготавливают из жаропрочных сплавов и сталей ЭН435, ЭН602, 08X13, 20X3, 12Х18Н10Т, 30ХГСА. : Детали, работающие в условиях невысоких температур, изготавливают из сталей марок 08кп, Юсп, а также алюминиевых, магниевых и титановых сплавов марок АД1, АМц, Д16А-Т, ОТ4-1, ВТ-6. Применяемые материалы должны обладать хорошей пластичностью, обрабатываемостью в горячем и холодном состоянии, сопротивляемостью, коррозии и хорошей свариваемостью.
В данной работе рассматривается обработка давлением титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей, а именно сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т. Дадим подробную характеристику этим материалам.
Титановые сплавы /7, 8, 9, 14, 33, 42, 48, 51/ имеют небольшую плотность, обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью, которая при температуре до 770 К выше, чем у большинства жаропрочных сталей. Вместе с тем при температуре, превышающей 670К длительная прочность титановых сплавов намного ниже, чем у стали. Кроме того, титановые сплавы очень чувствительны к надрезам (царапинам), значительно уменьшающим их прочность, а это требует тщательной обработки поверхностей некоторых наиболее ответственных деталей (лопаток и др.). Теплопроводность титановых сплавов в 5 раз меньше, чем у стали. Эти недостатки ограничивают применение титановых сплавов. В. процессе обработки, особенно при нагреве выше 820 К, титановые сплавы сильно подвержены окислению (взаимодействуют с кислородом и азотом воздуха), в результате чего образуется окалина и имеет место диффузия кислорода в титан. Это приводит к образованию хрупкого слоя, толщина которого со временем может увеличиваться (альфированный слой), что понижает пластичность сплава. В связи с этим следует проводить обработку материала при температурах не выше 820 К или в защитной среде инертного газа. Титановый сплав ОТ4-1 обладает высокой технологической пластичностью, которая повышается при увеличении температуры деформирования. Увеличение скорости деформирования приводит к росту сопротивления деформации. Поэтому при горячем деформировании для увеличения технологической пластичности лучше применять оборудование, обеспечивающее малые скорости формообразования металла. При выборе температурного интервала горячего деформирования определяющим фактором следует считать температуру полного полиморфного превращения сплава II (910...950С±20С). С целью восстановления пластичности деформированного материала применяют межоперационный отжиг, а для снятия внутренних остаточных напряжений — окончательный отжиг. Титановые сплавы применяются для изготовления многих деталей "холодной" части двигателя (особенно компрессора). Их применение заметно снижает массу компрессора и ГТД в целом. Сталь 12X18Н ЮТ Высоколегированные, коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали /9, 16, 25, 37, 43, 52, 53/,. к которым относится сталь марки . 12Х18Н10Т, обладают стойкостью к газовой коррозии при воздействии . горячих газов, а также способностью сопротивляться пластической деформации и разрушению при длительном высокотемпературном нагружении. Из таких материалов изготавливают основные детали "горячей" части двигателя. Данные стали обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологии листовой формовки деталей: - трудно обрабатываются резанием; - обладают большой прочностью и вязкостью; - значительно упрочняются при холодной пластической деформации; - имеют склонность к налипанию формуемого материала на рабочую поверхность штампа; - обладают высоким сопротивлением деформированию; - не упрочняются термической обработкой; - имеют наибольшую пластичность в закаленном состоянии. В табл. 1 приведены некоторые технологические свойства титанового сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т.
Расчетное уравнение функциональной зависимости
Определим значение констант К, n, т, р, а, входящих в уравнение (2.1). Константы Кип определяются с учетом условия прохождения функцией (2.1) через точки предела текучести металла и его временного сопротивления. Учитывая условие прохождения аналитической функции а - є через заданные экспериментальные точки можно записать функцию, имея лишь справочные характеристики материала. При этом берется холодное состояние металла (Т=273 К) и скорость деформации, равная скорости, деформации при стандартных испытаниях на растяжение: є = 0 =6 10-4 с 1. В этих условиях:
Константа а отражает влияние скорости деформирования металла на напряжение при деформации. Поэтому она определяется с учетом условия прохождения функцией (2.1) через точки, соответствующие низкоскоростному ёх и высокоскоростному Є2 способам деформирования
металла в горячем состоянии. При этом берется промежуточное фиксированное значение истинной относительной деформации. Константы тир определяют влияние температурного режима обработки на напряжение деформации. Поэтому они находятся с учетом условия прохождения функцией (2.1) через точки, соответствующие разным температурам деформации (Ть Т2) при . одинаковой скорости деформирования. При расчетах берется промежуточное значение истинной относительной деформации.
Данное уравнение определяет зависимость напряжений от деформаций, скоростей деформаций и температуры нагрева заготовки. Выводы 1. На основе теоретических исследований получена функциональная зависимость напряжений от деформаций, температуры нагрева и скорости деформирования; 2. Разработана математическая модель пластического деформирования металла с учетом температуры и скорости деформации; 3. Получено расчетное уравнение, определяющее зависимость напряжений от деформаций, температуры нагрева и скорости деформирования. ГЛАВА З Теоретические основы определения технологических параметров процесса газовой формовки
Для осуществления процесса газовой формовки с оптимальными технологическими режимами важно правильно спроектировать заготовку. Основное требование к проектируемой заготовке — ее профиль должен быть эквидистантен профилю получаемой детали. Тогда при формообразовании все участки поверхности заготовки будут деформироваться примерно одинаково, что уменьшает разностенность готовой детали. Таким образом, в зависимости от формы получаемой детали заготовка может быть цилиндрической или конической с различным углом раствора конуса (рис.2).
С целью получения кольцевых заготовок и круглых (цилиндрических, конических) обечаек производят раскрой и разрезку листового материала на мерные куски, согласно развертке заготовки. Для этого применяют дисковые и ленточные пилы, гильотинные ножницы, абразивно-отрезные станки, а для резки материала из титановых и жаропрочных сплавов — анодно-механические станки. Гибку исходных заготовок выполняют на профилегибочных машинах, а затем производят сварку колец и обечаек по торцам зачищенных и обезжиренных стыков. Сварной шов снижает склонность некоторых материалов к пластическому деформированию, так как при сварке структура металла в околошовной зоне изменяется по сравнению со структурой основного металла. Деформирование заготовок (при значительных степенях деформации) после сварки без предварительной термообработки может повлечь за собой разрыв в околошовной зоне. Поэтому после сварки шов зачищают и проводят термообработку для снятия внутренних напряжений.
Проведем анализ напряженно — деформированного состояния детали в процессе изготовления методом газовой формовки, возникающего при заданных внешних нагрузках и условиях закрепления краев. . Рассматриваемый класс деталей относится к категории тонкостенных, так как толщина оболочки мала по сравнению с другими размерами и минимальным радиусом кривизны.
Технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД
Для осуществления процесса газовой формовки спроектирована технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД. Сильфон представляет сложнопрофильную крупногабаритную деталь с наружным диаметром D2 более 1000 мм и гофрами большой относительной высоты 7А 4 (рис.4). В конструкции газотурбинных двигателей используется в качестве компенсатора температурных изменений при различных режимах работы двигателя.
Современные способы изготовления подобных сильфонов (например, роликовая прокатка) не обладают высокой производительностью и не позволяют получать детали требуемой геометрической формы и заданной точности. Метод изготовления сильфонов раздачей инертным .газом с нагревом заготовки позволяет исключить названные недостатки.
Устройство. работает следующим образом: на оправке 1 устанавливают сегменты 2, 3, 4, 5 внутренней, полуматрицы. Сверху на внутреннюю полуматрицу опускают цилиндрическую заготовку, прилегающую вплотную к внешней поверхности сегментов 2, 3, 4, 5. Затем заготовку зажимают сегментами 6, 7 внешней полуматрицы, после чего фланцы сегментов 6, 7 скрепляют между собой. За счет этого и за счет внедрения кольцевых зубьев 13 в кольцевые пазы 11 осуществляется закрепление заготовки и герметизация полости матрицы. Установку помещают в печь и нагревают до температуры, при которой материал заготовки проявляет повышенные пластические свойства. Способ нагрева выбирают исходя из технологических возможностей производства (например, нагрев в печи, индукционный нагрев). После нагрева через каналы 8 к заготовке подают инертный газ потребного давления. Под действием давления газа нагретый металл начинает деформироваться, принимая форму кольцевых канавок 10, 12. Процесс деформации металла идет в две стороны, от оси и к оси сильфона. В процессе раздачи сильфона воздух, оставшийся в кольцевых канавках 10, 12, вытесняется деформируемым металлом и по каналам 9 выводится наружу. По окончании формовки извлечение сильфона из полуматриц осуществляют следующим образом. Внутреннюю и внешнюю полуматрицу вместе с деталью снимают с оправки, разбирают внешнюю полуматрицу, затем вынимают сегменты 2, 3, 4, 5 внутренней полуматрицы.
По сравнению с известными аналогами, данная технологическая установка для изготовления сильфонов ГТД позволяет изготавливать детали высокого качества с большой высотой гофр (h/b 4) диаметром более 1000 мм. Качество изготовления сильфонов обеспечивается за счет снижения степени деформации материала на 50 %, что уменьшает утонение металла в местах максимальной деформации (вершины и впадины гофр) и снижает внутренние остаточные напряжения металла после деформации, также это позволяет уменьшить потребное давление инертного газа и сокращает время изготовления детали.
Моделирование технологического процесса формообразования тонкостенных листовых деталей Рассм Фим пример расчета потребного давления инертного газа для полых тонкостенных деталей из титанового сплава ОТ4-1 и стали Д2Х18Н10Т.
Для технологического расчета потребного давления инертного газа необходимо иметь константы материала заготовки К, n, m, р\ а, определяемые на основе экспериментальных или справочных данных, задать температуру нагрева Т и скорость деформации є, по геометрическим параметрам заготовки и детали рассчитать максимальный прогиб оболочки со. Для конусообразной детали давление рассчитывается в точке с координатой х, которая выбирается в месте, где величина прогиба оболочки со максимальна. Для цилиндрической оболочки расчетной точкой является середина образующей цилиндра (рис. 2).
Выведем расчетные уравнения, определяющие потребное давление инертного газа при деформировании методом газовой формовки для двух марок материала. Для этого необходимо определить константы материала, для чего воспользуемся экспериментальными данными из различных литературных источников. Подставив в формулы (2.2) данные для титанового сплава ОТ4-1 (ав=687 МН/.м2; сг0 -,-500 МН/м2; 6 =0,15; є02 =0,007), получим: п=0,1; К=831 МН/м2. Дія определения константы а подставим в выражение (2.3) значения напряжений деформаций, соответствующие низкоскоростному (,=0,01 с"1) и высокоскоростному (-, = 100 с" ) способам горячего деформирования, что составит 7,=157 МН/м2 и сг2=375 МН/м2. Температура деформации Т= 973 К. Температура плавления сплава ОТ4-1 Т:1Л=1973К. Тогда получим а =0,2. Константы тир найдем из уравнений (2.6) и (2.7). При этом напряжения деформаций составят 7,=157 МН/м" и сг2 =23 МН/м" при температурах Т,=973 К; Т2=1173 К. Также t,=700; t2=900; "=0,3; -=0,01 с"1. Таким образом /? =2,9, w =0,0017 1 / К. Проведем аналогичный вывод расчетного уравнения для стали 12Х18Н10Т. Имеем: временное сопротивление по напряжению сгв=680 МН/м2; предел текучести по напряжению о ,_,=410 МН/м2; временное сопротивление по деформации ггв=0,4; предел текучести по деформации е0 ,=0,004. С учетом этого получим: п=0,1; К=752 МН/м". Для определения константы а рассмотрим малые скорости деформации -,=0,05 с", при которых имеем т,=180 МН/м . Для высоких скоростей деформирования -2=150 с 1 напряжение деформации составляет сг, =335 МН/м". Температура нагрева заготовки Т=1273 К. Температура плавления стали 12Х18Н10Т Тпл—1800 К. Отсюда коэффициент а=0,1.
Расчетные кривые технологических параметров процесса газовой формовки для сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т
Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что: - величина потребного давления инертного газа с ростом степени деформации увеличивается интенсивнее при температурах 500...700С (ОТ4-1) и 70О...900С (12Х18Н10Т); - в процессе деформирования с ростом величины прогиба оболочки потребное давление инертного газа изменяется. незначительно при температурах 800...1000С для сплава ОТ4-1 и 1000...1200С для стали 12X18Н10Т, что говорит о возможности увеличения допустимой степени деформации при этих температурах; . - увеличение температуры нагрева заготовки при формообразовании ведет к резкому снижению величины потребного давления инертного газа (для ОТ4-1 в диапазоне 200...800С; для 12Х18Н1 ОТ при 200...1200С); - с ростом температуры зависимость потребного давления инертного газа от радиуса кривизны оболочки заметно падает (для ОТ4-1 при 800...1000С;для 12Х18Н10Тпри П00...1200С); - при температурах 900...1000С для ОТ4-1 и 1100:..1200С для 12Х18Н1 ОТ давление инертного газа практически не зависит от радиуса кривизны оболочки. Это говорит о том, что при формообразовании заготовки в виде усеченного конуса распределение потребных усилий деформирования по поверхности оболочки происходит более равномерно, что благоприятно сказывается на процессе обработки и позволяет получить деталь с равномерной толщиной по всей поверхности; - увеличение скорости деформирования металла ведет к росту величины потребного давления инертного газа; - с увеличением скорости деформирования рост величины потребного давления инертного газа происходит интенсивнее в диапазоне температур 150...600С для титанового сплава и 200...800С для стали; - при температурах, близких к максимальным из выбранного диапазона изменение скорости деформирования практически не влияет на величину потребного давления инертного газа; - рост величины потребного давления инертного газа при увеличении скорости деформирования происходит интенсивнее при температурах 500...700С(ОТ4-1)и700...1000С(12Х18Н10Т); - при температурах 900... 1000С для ОТ4-1 величина потребного давления инертного газа с ростом скорости деформирования почти не изменяется; - в процессе формообразования интенсивность утонения деформируемой оболочки с ростом глубины вытяжки снижается при увеличении степени деформации. Наиболее интенсивно процесс утонения материала оболочки происходит на начальном этапе деформирования; - при повышенных температурах деформирования (800...1000С для ОТ4-1 и 1 Ю0...1200С для 12Х18Н10Т) с ростом величины вытяжки листа его толщина почти не изменяется.
По результатам анализа экспериментальных данных можно дать следующие рекомендации по выбору оптимальных технологических параметров процесса газовой формовки: 1. оптимальный температурный режим деформирования для сплава ОТ4-1 составляет 700...900С, для стали 12Х18Н10Т- Ю00...1200С; 2. обработку целесообразно осуществлять при скоростях деформирования в диапазоне 10"3... 10"1 с 1; Выводы 1. Получены , расчетные уравнения для определения технологических параметров процесса газовой формовки для двух форм заготовок из титанового сплава ОТ4-1 и стали 12Х18Н10Т; 2. С помощью ПЭВМ (программа Mathcad 2001 Professional) проведено моделирование процесса формообразования цилиндрической тонкостенной заготовки методом газовой формовки для двух марок материала; 3. По результатам моделирования построены кривые, описывающие процесс газовой формовки; 4. На основе анализа данных моделирования приведены рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов обработки методом газовой формовки. \
Подставив входные данные в уравнение для конической формы заготовки и материала ОТ4-1 получим величину потребного давления инертного газа в расчетной точке р=0,198МН/м2. Величина критического давления инертного газа: ркр=0,285 МН/м . Проведем моделирование процесса деформации конической обечайки с помощью ПЭВМ (программа Mathcad 2001 Professional). На рис. 12 показано распределение давлений инертного газа по поверхности заготовки при деформировании методом газовой формовки (максимальная деформация со=А5 мм) для разных температур деформации. Из графиков видно, что радиус кривизны оболочки, изменяющийся в зависимости от координаты х, оказывает большее влияние на величину потребного давления инертного газа, чем прогиб оболочки. Поэтому при расчете давления это необходимо учитывать.
Похожие диссертации на Разработка процесса газовой формовки деталей ГТД
