Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Цель и задачи работы
1.1 Обзор способов изготовления компрессорных лопаток газотурбинных авиационных двигателей (ГТД)
1.1.1 Краткая характеристика лопаток компрессора ГТД 16
1.1.2 Материалы, используемые для изготовления лопаток компрессора 24
1.2 Существующие технологические схемы изготовления компрессорных лопаток ГТД: область применения, достоинства и недостатки
1.2.1 Классификация технологических процессов изготовления лопаток компрессора ГТД 25
1.2.2 Основные типы заготовок, применяемые для изготовления лопаток компрессора 30
1.2.3 Основные методы получения пера лопаток компрессора ГТД 31
1.3 Производство компрессорных лопаток ГТД с применением холодного вальцевания профиля пера - 37
1.3.1.Сущностьпроцессавальцевания 39
1.3.2 Анализ факторов, влияющих на точность изготовления лопаток ГТД холодным вальцеванием 41
1.3.2.1 Существующие схемы вальцевания 43
1.3.3 Требования к заготовкам для холодного вальцевания
1.3.3.1 Принципы, применяемые при выборе формы заготовки 47
1.3.3.2 Способы получения заготовок лопаток под холодное вальцевание профиля пера 49
1.4 Сущность и особенности существующей методики проектирования и изготовления прецизионных заготовок под холодное вальцевание лопаток 53
1.5 Постановка целей и задач работы 56
ГЛАВА 2. Разработка методики проектирования прецизионной заготовки под холодное вальцевание лопатки компрессора ГТД
2.1 Разработка и определение критериев оценки пригодности сегментообразной заготовки для обеспечения стабильности процесса холодного вальцевания и качества лопаток ГТД 59
2.2 Анализ течения металла в очаге пластической деформации в процессе холодного вальцевания лопаток компрессора ГТД
2.2.1 Определение метода теоретического исследования 69
2.2.2 Учет особенностей вальцевания сложного профиля 73
2.2.3 Учет упругого сплющивания валков в процессе холодного вальцевания
2.2.4 Упрочнение металла в процессе холодного вальцевания 82
2.2.5 Определение напряженного состояния в очаге деформации
2.2.5.1 Теория контактных касательных напряжений 83
2.2.5.2 Теория контактных нормальных напряжений 87
2.3 Вывод по главе 97
ГЛАВА 3. К разработке программного продукта по проектированию прецизионных заготовок ГТД под холодное вальцевание лопаток
3.1 Функциональное описание контрольного сечения лопатки 99
3.2 Аналитическое спрямление профиля пера лопатки ГТД 104
3.3 Система уравнений для определения параметров окружности, описывающей заготовку со стороны спинки 109
3.4. Система уравнений для определения параметров описывающей деталь со стороны корыта прямой 111
3.5 Математическое описание критериев оценки сегментообразного сечения прецизионной заготовки под холодное вальцевание пера лопатки ГТД
3.5.1 Аналитическое описание принадлежности степеней деформации по сечению допустимой области 112
3.5.2 Аналитическое описание коэффициента устойчивости К 113
3.5.3 Аналитическое описание неравномерности течения металла в процессе холодного вальцевания сегментообразной заготовки лопатки.
3.5.3.1 Аналитическое описание напряженного состояния в очаге пластической деформации для переменного сечения детали .типа лопатка ГТД 115
3.5.3.1.1 Определение положения плоскости вальцевания 115
3.5.3.1.2 Распределение параметров очага пластической деформации со стороны верхнего и нижнего валков для элементарного сечения (элементарной полосы) 117
3.5.3.1.3 Расчет напряженного состояния 118
3.5.3.2 Аналитическое описание изгибающего момента в сечении
3.5.3.2.1 Определение сил действующих в очаге пластической деформации в процессе холодного вальцевания 128
3.5.3.2.2 Определение сил действующих на полосу 134
3.5.3.2.3 Определение направления действия силы 139
3.5.3.2.4 Определение изгибающего момента относительно вертикальной оси
3.5.3.2.5 Учет жесткого крепления хвостовика 142
3.5.3.2.6 Коэффициент неравномерности течения Кнт 143
3.6 Формирование таблицы критериев. Чтение таблицы. Анализ и управление показателями 145
3.7 Вывод по главе 146
ГЛАВА 4. Апробация разработанной методики. сравнительный анализ полученных данных и результатов численного моделирования
4.1. Формирование базы данных возможных заготовок
4.1.1 Полиномиальное описание контрольного сечения лопатки 148
4.1.2 Спрямление профиля пера лопатки ГТД 151
4.1.3 Определение параметров окружности, описывающей заготовку со стороны спинки 153
4.2 Расчет показателей для критериальной оценки сегментообразного сечения прецизионной заготовки под холодное вальцевание пера лопатки ГТД
4.2.1 Критерий 1. Принадлежность степеней деформации по сечению допустимой области 155
4.2.2 Критерий 2. Равномерность распределения припуска по ширине сечения сегментообразной заготовки. Определение коэффициента устойчивости К 156
4.2.3 Критерий 3. Неравномерность течения металла в процессе холодного вальцевания сегментообразной заготовки лопатки
4.2.3.1 Определение катающих радиусов со стороны верхнего и нижнего валков для элементарного сечения (элементарной полосы) 158
4.2.3.2 Определение напряженного состояния в очаге пластической деформации для переменного сечения детали типа лопатка ГТД 159
4.2.3.3 Плечо Н приложения силы Qfl 161
4.2.3.4 Определение горизонтальных сил, действующих в каждой элементарной полосе 162
4.2.3.5 Определение изгибающего момента относительно вертикальной оси
4.2.3.6 Учет жесткого крепления хвостовика
4.2.3.7 Коэффициент неравномерности течения КНг 164
4.3 Упругое сплющивание валков
4.4 Формирование таблицы критериев 165
4.5 Моделирование процесса холодного вальцевания в QForm 3D 166
4.5.1 Заготовка, с распределением припуска, соответствующим заданному опережению 167
4.5.2 Заготовка с пропорциональным распределением припуска 168
4.5.3 Заготовка, описанная одной окружностью согласно существующей методике 169
4.5.4 Заготовка, описанная одной окружностью согласно предлагаемой методике 171
4.6 Вывод по главе 173
Заключение 175
Список использованных источников 177
Приложение
- Анализ факторов, влияющих на точность изготовления лопаток ГТД холодным вальцеванием
- Анализ течения металла в очаге пластической деформации в процессе холодного вальцевания лопаток компрессора ГТД
- Определение сил действующих в очаге пластической деформации в процессе холодного вальцевания
- Определение параметров окружности, описывающей заготовку со стороны спинки
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важных задач в машиностроении является создание высокоэффективных технологических процессов, обеспечивающих резкое снижение трудоемкости, расхода материала и сокращение ручного труда с одновременным повышением качества и надежности выпускаемой продукции. Эта задача особенно актуальна в современном авиадвигателестроении, в частности, при производстве лопаток компрессора газотурбинных двигателей (ГТД).
При серийном и массовом производстве лопаток компрессора ГТД
широкое распространение получил метод формообразования их
аэродинамических поверхностей
холодным вальцеванием (рис.1).
Процессы холодного вальцевания лопаток ГТД позволяют существенно повысить коэффициент использования металла и снизить трудоёмкость их изготовления.
Благодаря работам отечественных
ученых В.И.Омельченко, Ш. Д. Кошаева,
В. М. Лебедева и др. установлено, что
оптимальной геометрией заготовки для
холодного вальцевания является
Рис. 1. Схема вальцевания лопатки
ГТД: 1 - заготовка лопатки; 2, 3 -
вальцовочный инструмент (вставки);
4 - переходник
заготовка с так называемым
«пропорциональным» распределением
припуска по профилю пера (рис.2),
характеризуемым равными величинами
пластической деформации в каждой
точке профиля и обеспечивающим,
вследствие этого, равномерность течения
металла на выходе из очага пластической
деформации (о.п.д.). Действительная
величина деформации при вальцевании
такой заготовки зависит от величины
Рис.2. Пропорциональное
распределение припуска (1) по сечению
(2) пера лопатки ГТДЖ;
(є;= Ai/(h;+ A;) =const)
расчетного припуска и допуска на
изготовление профиля пера. Чем меньше
поле допуска, тем стабильнее как процесс
вальцевания лопатки, так и качество
лопаток.
Традиционно заготовки лопаток для холодного вальцевания изготавливают штамповкой. Поле допуска на профиль заготовки реализуется за счет недоштамповки - неполного и нестабильного смыкания половин штампа. В частности, неравномерное распределение удельных нагрузок на гравюру штампа, вызванное сложным профилем штампуемых заготовок, сопровождается неравномерными упругими деформациями штампа и
снижением, в конечном итоге, как
его размерной стойкости, так и
точности изготовляемых заготовок.
Это приводит к
неудовлетворительной стабильности
непосредственно процесса
Рис.3. Вид сверху на вальцуемую заготовку
(1) при образовании «саблевидности» в
процессе ее формоизменения вальцовочными
секторами(2), вызванного неравномерностью
течения металла в очаге пластической
деформации (3);4-переходник, фиксирующий
положение хвостовика
холодного вальцевания, вызывая
образование, например, такого
браковочного признака, как
«саблевидность» (изгиб в плоскости вальцевания) (рис.3).
Для повышения стабильности
процесса в ОАО «НПО Сатурн» (г.
Рыбинск) разработана методика
проектирования заготовок для
холодного вальцевания (А. с. №
1517217), заключающаяся в
спрямлении аэродинамических
профилей сечений пера, наложении
пропорционального припуска в
трёх характерных точках каждого
сечения профиля, их обработку с
высокой точностью на
Рис.4. Схема аппроксимации спрямлённого
сечения лопатки дугой окружности по А.с.
№1517217: А, В, С - характерные точки, R; -
радиус окружности, х;, у; - координаты центра
О; окружности
универсальном металлорежущем оборудовании, в частности, на круглошлифовальных станках, по окружностям, проходящим через выбранные точки А, В, С (рис.4).
Отсутствие критериев,
позволяющих без проведения
значительных экспериментальных
работ, оценить стабильность процесса холодного вальцевания
спроектированных по данной методике заготовок лопаток с
сегментообразным профилем сечений пера, существенно увеличивает
трудоёмкость внедрения холодного вальцевания при освоении новых
изделий, и препятствует снижению трудоёмкости существующих
технологических процессов изготовления лопаток ГТД.
Ввиду этого дальнейшее совершенствование методики проектирования прецизионных заготовок для холодного вальцевания лопаток ГТД, является актуальной задачей для авиационной промышленности и имеет важное научное и практическое значение.
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение стабильности процесса холодного вальцевания лопаток компрессора ГТД путём совершенствования методики проектирования прецизионных
заготовок с сегментообразным профилем пера. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Определить влияние расположения припуска на сегментообразных сечениях пера заготовок лопаток на устойчивость процесса холодного вальцевания и геометрическую точность вальцованных лопаток.
-
Разработать критерии устойчивости процесса холодного вальцевания лопаток ГТД с сегментообразным профилем пера.
-
Разработать математическую модель и исследовать течение металла в процессе холодного вальцевания лопаток ГТД с сегментообразным профилем сечений пера.
4. Усовершенствовать методику определения геометрии
сегментообразной заготовки для холодного вальцевания пера лопаток ГТД,
основанную на критериях устойчивости процесса вальцевания.
5. Выполнить сравнительное численное моделирование процессов
холодного вальцевания пера заготовок, спроектированных по существующей
и усовершенствованной методикам.
6. Разработать пакет прикладных программ для ЭВМ по
проектированию сегментообразных в сечении заготовок для холодного
вальцевания лопаток ГТД, обеспечивающих стабильность процесса
вальцевания и требуемое качество лопаток.
Методы исследований и достоверность результатов. При
выполнении работы использовались научные положения теории обработки металлов давлением, сопротивления материалов, теоретической механики, теории упругости и пластичности, численно-аналитические методы математического моделирования и анализа. Обоснованность и достоверность полученных результатов, научных положений и выводов подтверждены сходимостью с результатами, полученными путем проведения численного моделирования в программе QForm 3D.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: Усовершенствованная методика проектирования прецизионных заготовок для холодного вальцевания лопаток ГТД, включающая в себя:
-
Основные критерии устойчивости процесса холодного вальцевания заготовки лопатки с сегментообразным профилем пера;
-
Основные уравнения и соотношения, необходимые для анализа течения материала, напряжённого и деформированного состояния при пластическом формоизменении сегментообразного профиля заготовки в аэродинамический в процессе холодного вальцевания заготовки;
-
Основные уравнения и соотношения, необходимые для определения оптимальной геометрии сегментообразных в сечении пера заготовок, обеспечивающих стабильность холодного вальцевания пера лопаток компрессора ГТД.
Научная новизна работы. Разработана и исследована математическая модель, описывающая процесс образования браковочного признака типа «саблевидность» в процессе холодного вальцевания.
Разработаны критерии устойчивости процесса холодного вальцевания
заготовок лопаток ГТД с сегментообразными сечениями профиля пера.
Практическая значимость работы. Разработана методика проектирования прецизионных заготовок с сегментообразным в сечении профилем пера, обеспечивающая устойчивость процесса холодного вальцевания путём оптимизации распределения величины пластической деформации и повышения равномерности течения металла по сечениям вальцуемых заготовок.
Разработан пакет программных продуктов, позволяющих автоматизировать процесс проектирования и определения оптимальных параметров прецизионных заготовок лопаток для холодного вальцевания.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы
использованы при проектировании заготовок для изготовления лопаток
компрессора беспилотных летательных аппаратов на «ОАО НПО «Сатурн»
(г. Рыбинск) методами холодного вальцевания. Отдельные результаты
теоретических исследований использованы в учебном процессе при
подготовке инженеров, обучающихся по специальности 150201
«Машиностроительные технологии и оборудование», магистров
обучающихся по специальности 150400 «Машины и технология обработки металлов давлением».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены: на Всероссийской научно-техн. конф. студентов «Студенческая научная весна - 2009»: Машиностроительные технологии (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана); на Всероссийской молодёжной научн. конф. с международным участием «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (г. Москва, МФТИ, 2009); дважды на Всероссийской научно-техн. конф. студентов «Студенческая научная весна -2010»: Машиностроительные технологии (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 1 - в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных источников из 63 наименований и 1 приложения, изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 166 формул, 10 таблиц, 71 рисунок.
Анализ факторов, влияющих на точность изготовления лопаток ГТД холодным вальцеванием
К основным факторам, влияющим на геометрическую точность вальцованных лопаток, относятся [12]: 1. форма и точность заготовки для холодного вальцевания; 2. жесткость системы стан-инструмент—деталь (СИД); 3. кинематическая схема вальцевания; 4. точность инструмента для вальцевания; 5. технологическая смазка при вальцевании. На точность вальцованных лопаток основное влияние оказывает распределение толщины пера заготовки, поэтому в технических условиях на заготовку для вальцевания оговариваются два основных требования: 1. общее предельное отклонение всех точек по толщине пера (недоштамповка); t 2. максимальная разность отклонений по толщине (разнотолщинность). Рассмотрим взаимосвязь указанных требований и отклонений формы и размеров вальцованных лопаток. Увеличение недоштамповки вызывает в процессе вальцевания рост неравномерности продольной деформации по ширине пера и значительные продольные напряжения, причем кромочные слои оказываются сжатыми, а средние растянутыми. В этом случае перо лопатки после выхода из очага деформации изгибается в сторону спинки и «перекручивается».
Вследствие характерной корытообразной формы пера лопатки равнодействующие сжатых слоев и растянутых сдвинуты на расстояние таким образом, что возникает изгибающий момент, стремящийся изогнуть перо в сторону спинки. Одновременно кромочные слои, удлиняясь относительно средних, стремятся увеличить закрутку сечения. Необходимо заметить, что при больших изгибах на спинку и значительной перекрутке достаточно сложно исправить перо лопатки последующей рихтовкой, т.к. кромки теряют продольную устойчивость и, как следствие этого, образуются гофры. Кроме того, гофры и связанное с ними искривление сечений возникают в процессе вальцевания из-за избытка металла по кромкам пера заготовки. Анализ силы в очаге обжатия и экспериментальные работы выявили, что при недоштамповке наблюдается весьма неравномерная эпюра удельных сил по ширине пера лопатки, величина которых в кромочных слоях в несколько раз превосходит удельные силы по оси пера. Следствием этого является неравномерность упругой деформации рабочего профиля вальцовочного инструмента, которая проявляется в относительном утолщении кромок в сечениях вальцованной лопатки. Известно, что наибольшая неравномерность, деформации возникает при вальцевании заготовки с эквидистантным припуском по перу, при значительной недоштамповке, и при вальцевании крупногабаритных лопаток со значительной клиновидностью пера [13].
Таким образом, расчет геометрии пера заготовок для холодного вальцевания — важнейший этап при разработке технологии изготовления лопаток с применением данной операции. В процессе вальцевания возникают значительные силы, поэтому упругие деформации системы СИД заметно влияют на точность пера лопаток. При вальцевании лопаток со значительной клиновидностью пера истинные величины обжатия, а, следовательно, и силы, к концу пера быстро нарастают. Поэтому периферийные сечения получаются толще расчетных. При вальцевания лопаток с большим углом закрутки это явление усугубляется осевым перемещением валков.
Значительное влияние на точность вальцованных лопаток оказывает схема вальцевания, т. е. характер приложения сил к хвостовику лопатки и скорость перемещения хвостовика относительно окружной скорости валков. По этому признаку можно выделить три характерные схемы вальцевания лопаток (рис. 9): 1 со свободным натяжением вдоль пера; 2 с натяжением; 3 с гарантированным подпором; 4 с заданным опережением. Применение первой схемы отрицательно сказывается на точности лопаток, что связано с неопределенностью величины коэффициента опережения. Она даже для постоянных напряжений свободного натяжения очень заметно меняется в зависимости от степени деформации толщины заготовки и коэффициента трения [14] .
Поэтому расстояния между расчетными сечениями на лопатке, вальцуемой со свободным натяжением, оказываются иными, чем указано в чертеже лопатки. Трудности получения заданных толщин пера при холодном вальцевании устраняются при применении жесткой кинематической связи между хвостовиком лопатки и валками, когда скорость перемещения хвостовика строго согласована со скоростью вращения валков, поэтому расчетные сечения лопатки всегда совпадают с расчетными сечениями инструмента [15]. Для лопаток из материалов с высокой пластичностью оптимальной является схема вальцевания с заданным опережением, на станах типа ВС100М (рис.10.), а схема вальцевания с гарантированным подпором наиболее приемлема для лопаток из материалов с пониженными пластическими характеристиками, например из титановых сплавов [16, 17]. Основной вопрос при проектировании вальцовочного инструмента -это выбор «плоскости вальцевания», то есть, плоскости жестко связанной с лопаткой, которая в процессе вальцевания катится по «делительным диаметрам валков» (половина межосевого расстояния). Плоскость вальцевания определяет положение лопатки относительно осей валков и соответственно расположение рабочего профиля относительно этих же осей. Плоскость вальцевания должна быть выбрана таким образом, чтобы разность изгибающих моментов от сил трения со стороны спинки и корыта была минимальной, в противном случае ось лопатки будет искривляться в ту или иную сторону [18].
Анализ течения металла в очаге пластической деформации в процессе холодного вальцевания лопаток компрессора ГТД
Холодное вальцевание применяется для изготовления однозамковых и беззамковых лопаток длиной до 100 мм из сталей с повышенной пластичностью при холодной деформации. Этот метод позволяет изготавливать лопатки без припуска по перу на механическую обработку, снизить трудоемкость, объем ручных доводочных работ и расход металла. При этом исключаются операции фрезерования, шлифования и ручной полировки пера, повышается стабильность качества лопаток, в том числе усталостной прочности. Важной особенностью холодного вальцевания является возможность получения кромок любой требуемой толщины (до ОД мм) без последующей ручной доработки (по толщине кромок). Материалы, применяемые для изготовления лопаток компрессора, характеризуются ограниченной пластичностью, высокими значениями сопротивления деформированию, узким температурным интервалом обработки. Эти свойства материалов оказывают значительное влияние на закономерности их деформации [31]. Благодаря работам отечественных ученых В. И. Омельченко, Ш. Д. Кошаева, В. М. Лебедева и др. установлено, что оптимальной геометрией заготовки для холодного вальцевания является заготовка с так называемым «пропорциональным» распределением припуска по профилю пера (рис. 13) , характеризуемым равными величинами пластической деформации в каждом поперечном сечении профиля пера и обеспечивающим, вследствие этого, равномерность течения металла на выходе из очага пластической деформации. Фактическая величина деформации при вальцевании такой заготовки лопатки зависит от расчетного припуска и допуска на изготовление профиля пера. Чем меньше поле допуска, тем стабильнее как процесс вальцевания лопатки, так и их качество.
Для повышения стабильности процесса холодного вальцевания лопаток ГТД в ОАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) разработана методика проектирования заготовок для вальцевания (А. с. № 1517217), заключающаяся в спрямлении аэродинамических профилей сечений пера путем укладки всех точек, принадлежащих корыту на плоскость, наложении пропорционального припуска в трёх характерных точках каждого сегментообразного сечения профиля, его обработку с высокой точностью на универсальном металлорежущем оборудовании, в частности, на круглошлифовальных станках, по окружностям, проходящим через выбранные точки А, В, С.
Отсутствие критериев, позволяющих без проведения значительных экспериментальных работ, оценить стабильность процесса вальцевания спроектированных по данной методике заготовок лопаток с сегментообразным профилем сечений пера, существенно увеличивает трудоёмкость внедрения холодного вальцевания при освоении новых изделий, и препятствует снижению трудоёмкости существующих технологических процессов изготовления лопаток ГТД. Ввиду этого дальнейшее совершенствование методики проектирования прецизионных заготовок для холодного вальцевания лопаток ГТД, является актуальной задачей для авиационной промышленности и имеет важное научное и практическое значение.
Целью работы является повышение стабильности процесса холодного вальцевания лопаток компрессора ГТД путём совершенствования методики проектирования прецизионных заготовок с сегментообразным профилем пера. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Определить влияние расположения припуска на сегментообразных сечениях пера заготовок лопаток на устойчивость процесса вальцевания, геометрическую точность вальцованных лопаток. 2. Разработать критерии устойчивости процесса вальцевания лопаток ГТД с сегментообразным профилем пера. 3. Разработать математическую модель течения металла в процессе холодного вальцевания лопаток ГТД с сегментообразным профилем сечений пера. 4. Усовершенствовать методику определения геометрии сегментообразной заготовки для холодного вальцевания пера лопаток ГТД, основанную на критериях устойчивости процесса вальцевания. 5. Выполнить сравнительное численное моделирование процессов холодного вальцевания пера заготовок, спроектированных по существующей и усовершенствованной методикам. Разработать пакет прикладных программ для ЭВМ по проектированию сегментообразных в сечении заготовок для холодного вальцевания лопаток ГТД, обеспечивающих стабильность процесса вальцевания и требуемое качество лопаток.
Опыт внедрения и апробирование методики [30] и технологических процессов изготовления лопаток выявил ряд недостатков, в частности снижение ресурса лопаток, вызванное разбросом степеней деформации по поперечным сечениям пера.
Этот недостаток связан с тем, что при проектировании заготовки лопатки выбор опорных точек через которые проходят окружности, описывающие спинку заготовки, носят в основном интуитивный характер.
В основу предлагаемой методики заложен ряд критериев для определения параметров окружностей, описывающих спинку сечений лопатки с обеспечением минимальной неравномерности течения металла при вальцевании.
Радиус выпуклой поверхности каждого сечения определяют из условий минимальной неравномерности течения металла в полуплоскостях, образованных прямой, проходящей через центр тяжести сечения и параллельной главной центральной вертикальной оси OY детали и минимального отклонения полученного распределения относительных степеней деформации в целом для сечения от заложенного при проектировании в опорных сечениях.
Для этого контур обрабатываемого сечения описывают некоторой функцией непрерывной или дискретной (рис.20). На следующем этапе аналитически определяют длину кривой, описывающей корыто обрабатываемого сечения. Затем аэродинамическое сечение лопатки аналитически спрямляют, обеспечивая расположение всех точек корыта на одной прямой.
Определение сил действующих в очаге пластической деформации в процессе холодного вальцевания
В главе приведены примеры расчетов на всех этапах проектирования заготовки, заполнения таблицы специального образца, чтения и возможные примеры управления показателями. Выполнено численное моделирование процесса холодного вальцевания в программе объемного моделирования процессов пластической деформации QFORM 3D, проведено сравнение с результатами теоретических расчетов.
С целью снижения трудоемкости расчетов разработан пакет прикладных программ для ЭВМ по проектированию и анализу сегментообразных в сечении заготовок. Пакет состоит из отдельных универсальных блоков, которые могут быть использованы при решении отдельных задач, а так же могут быть усовершенствованы в дальнейшем. Составляющие пакет программные продукты характеризуется относительной быстротой и легкостью расчета, позволяют произвести комплексный анализ влияния различных факторов на процесс. Главным достоинством пакета программ является его направленность, а именно, определение оптимальной геометрии заготовки, соответствующей определенным критериям, удовлетворяющей определенным условиям деформации.
При сравнении полученных теоретически данных и результатов численного моделирования можно сделать заключение об их сходимости.
Стоит отметить, что процесс вальцевания характеризуется- наличием накопленной деформации (обусловлено перемещением излишков металла от предыдущего сечения к последующему вдоль оси вальцевания), которая может привести к изменению геометрических параметров очага пластической деформации и, следовательно, к изменению напряженного состояния и сил, образующих изгибающий момент. Поэтому при КНт-близком к единице не рекомендуется применение данного способа получения заготовки. Более того, в ряде случаев применение одной окружности для описания профиля пера со стороны спинки недостаточно. В этом случае необходимо проанализировать возможность описания профиля заготовки двумя окружностями. При этом стоит учитывать экономическую целесообразность применения технологии.
При серийном и массовом производстве лопаток компрессора ГТД широкое распространение получил метод формообразования их аэродинамических поверхностей холодным вальцеванием. Тем не менее, традиционные методы получения заготовок лопаток для холодного вальцевания не обеспечивают требуемой точности, что приводит к неудовлетворительной стабильности непосредственно процесса вальцевания, вызывая образование, например, такого браковочного признака, как «саблевидность» (изгиб в плоскости вальцевания). Для повышения стабильности процесса в ОАО «НПО Сатурн» (г. Рыбинск) разработана методика проектирования заготовок для холодного вальцевания, главным недостатком которой является невозможность оценки стабильности процесса холодного вальцевания спроектированных заготовок лопаток с сегментообразным профилем сечений пера без проведения значительных экспериментальных работ: Это существенно увеличивает трудоёмкость внедрения холодного вальцевания при освоении новых изделий и препятствует снижению трудоёмкости существующих технологических процессов изготовления лопаток ГТД. Ввиду этого дальнейшее совершенствование методики проектирования прецизионных заготовок для холодного вальцевания лопаток ГТД, является актуальной задачей для авиационной промышленности и имеет важное научное и практическое значение.
В процессе теоретических разработок и исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы: 1. Разработаны критерии устойчивости процесса вальцевания лопаток ГТД с сегментообразным профилем пера, что позволяет определить оптимальную форму сегментообразной в сечении заготовки и повысить стабильность холодного вальцевания 2. Разработана математическая модель течения металла, что позволяет оценить склонность к образованию браковочного признака типа "саблевидность" в процессе холодного вальцевания лопаток ГТД.
Определение параметров окружности, описывающей заготовку со стороны спинки
Для повышения стабильности геометрии лопаток для холодного вальцевания разработаны методика проектирования заготовки и технология, позволяющая обрабатывать поверхность пера заготовок с высокой точностью на универсальном металлорежущем оборудовании, в частности, на кругло — и плоскошлифовальных станках. Общим недостатком данной методики является то, что опорные точки, через которые проходят дуги окружностей, аппроксимирующие «спинку» заготовки, выбирают в общем случае интуитивно, например, в околокромочных зонах и в зоне максимальной толщины сечения, без учёта геометрической формы «выпрямленного» сечения и распределения степеней пластической деформации относительно центра масс сечения при его вальцевании. При существенной разнице величин деформаций по толщине сечений справа и слева от их центров масс, при вальцевании наблюдается возникновение браковочного признака «серпение» (изгиб в плоскости вальцевания) пера заготовки, вызываемого неравномерностью пластической деформации по ширине сечения.
На основании анализа состояния вопроса выполненного в первой главе поставлена цель работы и сформулированы ее основные задачи. Вторая глава посвящена разработке усовершенствованной методики проектирования прецизионной заготовки с сегментообразным в сечении профилем пера для холодного вальцевания лопаток компрессора ГТД. Определен подход при формировании массива прецизионных заготовок с сегментообразным в сечениях профилем пера для холодного вальцевания. При этом радиус выпуклой поверхности каждого сечения определяют из условия минимальной неравномерности течения металла по сечению и минимального отклонения расчетной степени деформации от заданной.
На следующем этапе выполняют анализ массива данных. С этой целью в основу усовершенствованной методики заложены три критерия: допустимая область степеней деформации, коэффициент устойчивости К, коэффициент неравномерности течения Кнт, соответствие которым характеризует наиболее оптимальную геометрию прецизионной заготовки с сегментообразным профилем пера для холодного вальцевания.
Третья глава посвящена разработке математической модели процесса холодного вальцевания и аналитическому описанию всех этапов процесса проектирования оптимальной сегментообразной заготовки для холодного вальцевания, выведению основных математических зависимостей, описывающих напряженное состояние и течение металла в процессе холодного вальцевания. Установлена последовательность действий, используемая при разработке программного продукта.
В предложенной математической модели напряженного состояния „ поперечное сечение разбивается на множество элементарных полос, характеризуемых своими параметрами очага пластической деформации. Угол захвата, величина припуска со стороны каждого из валков являются основными геометрическими характеристиками очага пластической деформации. Геометрия лопатки предполагает существенное преобладание таких размеров, как длина пера и ширина хорды над максимальной толщиной пера С max, поэтому для теоретического определения сил, возникающих при вальцевании пера заготовки, принята гипотеза плоских сечений. В работе выполнен анализ различных факторов, влияющих на напряженное состояние в очаге пластической деформации. Установлено, что количество зон зависит не только от отношения средней толщины к длине проекции очага деформации OTN, но и от коэффициента трения ц., влияющего на эпюру касательных напряжений.
С целью повышения визуального контроля процессов проектирования и анализа полученных результатов сформирована таблица специального образца. Описана методика заполнения и чтения таблицы, описан способ управления основными показателями .
В четвертой главе приведены примеры апробации
усовершенствованной методики проектирования сегментообразных заготовок для холодного вальцевания лопаток ГТД. Приведены примеры расчетов на всех этапах проектирования заготовки, заполнения и чтения таблицы специального образца, и возможные примеры управления показателями. Выполнено численное моделирование процесса холодного вальцевания в программе объемного моделирования процессов пластической деформации QFORM 3D, проведено сравнение с результатами теоретических расчетов.
Моделирование процесса вальцевания осуществлялось по техническим характеристикам и схеме вальцевания, реализуемым на стане ВС100М. В заключении анализируются полученные результаты и приводятся общие выводы по работе.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю -доктору технических наук, профессору кафедры ОМД Матвееву А.С., кандидату технических наук, профессору кафедры ОМД - Корнилову В.В., кандидату технических наук, доценту - Мамаеву В.Б., доктору технических наук, профессору Букатому С. А. - за обсуждение материалов диссертационной работы и ценные советы.
