СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШТАМПОВКИ ЛОПАТОК
METHOD AND DEVICE FOR BLADE FORGING

Изобретение относится к обработке металлов давлением, и может' быть использовано для получения лопаток турбин методом горячей штамповки, а точнее для лопаток, которые используются в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД).
Как известно лопатки ГТД являются наиболее массовыми деталями в производстве двигателей, поэтому их производство отличается высокой трудоемкостью и соответственно существенными затратами. Особенно это относится к лопаткам, которые получаю! методом обработки давлением - горячей штамповкой. В настоящее время наиболее широко используется традиционная технологическая схема: предварительную заготовку получают высадкой на ГКМ, а затем штампуют в открытых штампах на прессе или молоте за несколько операций, с обрезкой облоя после каждой штамповки.
В связи с этим разрабатывались способы штамповки, когда из одной заготовки получали несколько штук лопаток, так называемая "многоштучная штамповка". Например, известен способ многоштучной штамповки лопаток (Авторское свид. №994101, В21К 3/04, 07.02.83). По данному способу в обычных открытых штампах получали поковку на несколько штук лопаток. Затем в обрезном штампе лопатки отделяют от облоя, и дальше обрабатывают отдельно. Практика показала, что лот способ имеет много недостатков. Например, значительно увеличивается площадь облоя в поковке, а это приводит к дополнительному расходу материала и низкому коэффициенту его использования (КИМ). Кроме того, при открытой штамповке не удается получить высокие степени деформации, особенно в области пера лопатки. А это существенно сказывается на качестве структуры материала лопатки, которая определяет служебные свойства этих деталей, что приводит к низкой стойкости в эксплуатации.
Известен способ и устройство для изготовления заготовок типа дисков с лопатками (патент США №4530229, B22D 22/00, Jul. 23, 1985, "Forging method and die package therefor"), при котором исходную заготовку размещают в секционной разъемной матрице, прикладывают пуансоном усилие деформирования к верхнему торцу заготовки, и деформируют исходную заготовку заполняя полости между секциями штампа до полного формообразования лона ток.
Известен способ штамповки лопаток, который реализован в штампе (SU 1682028 A1, B21K 3/00, 07.10.1991), включающий размещение заготовки в многоканальной матрице, приложение к ней осевого усилия и деформирование до заполнения полостей (каналов) в матрице, с получением многоштучной поковки, состоящей из лопаток, соединенных прессостатком, которую извлекаю! из штампа и отделяют лопатки от прессостатка.
Недостатками данного способа являются: большие удельные усилия деформирования заготовки, как правило, превышающие предел прочности штамповой оснастки, что связано с односторонним приложением усилия, а также сложность и дороговизна штампа. При одностороннем приложении усилия имеет место стеснение пластического течения металла, вследствие чего увеличиваются силы трения металла но стенкам штампа, что приводит к повышению усилия штамповки.
Задачей настоящего изобретения является обеспечить эффективность многоштучной штамповки лопаток, повышение пластичности при истечении металла заготовки в боковые полости штампа, снижение технологического усилия, повышение точности штампуемых изделий, повышение КИМ.
Решение задачи достигается тем, что исходную заготовку размешают в горизонтальном приемнике матрицы, состоящей из двух полуматриц с вертикальной плоскостью разъема и, с помощью расположенных с обеих сторон пуансонов прикладывая к обоим горцам заготовки осевое усилие, производят деформирование упомянутой заготовки до полного заполнения полостей под лопатки, но форме и размерам соответствующим лопаткам, так что получают многоштучную поковку, состоящую из лопаток, соединенных прессостатком, которую затем извлекают и отделяют лопатки от прессостатка.
Устройство для осуществления способа, включающее штамповый инструмент, состоящий из неподвижной и подвижной частей, отличается тем, что разъемная матрица состоит из двух полуматриц с вертикальной плоскостью разъема, в которых выполнено горизонтальное сквозное отверстие, образующее приемник, и радиально расположенные относительно приемника полости но форме и размерам соответствующие лопаткам, причем каждая из полуматриц снабжена своим пуансоном.
Согласно изобретению, полости для формообразования лопаток (пера и замка) могут быть выполнены в плоскости разъема полуматриц или перпендикулярно плоскости разъема полуматриц.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показано устройство для осуществления предлагаемого способа. На фиг.2 показан вид по А-А устройства по фиг.1.
На фиг.3 показано другое устройство для осуществления предлагаемого способа.
На фиг.4 показан вид по А-А устройства по фиг.3.
На фиг.5 и 6 показаны этапы штамповки по предлагаемому способу.
На фиг.7 показана полученная по предлагаемому способу многоштучная поковка.
На фиг.8 показан разрез по А-А поковки по фиг.7.
На фиг.9 показана заготовка лопатки, отделенная от прессостатка.
На фиг.10 показана другая полученная по предлагаемому способу поковка.
На фиг.11 показан разрез по А-А поковки по фиг.10.
На фиг.12 показан специализированный пресс модели ПМГ-2.
На фиг.13-16 показаны этапы штамповки на прессе ПМГ-2.
На фиг.17 показана фотография полученных многоштучных поковок.
На фиг.18 показана фотография полученных заготовок лопаток.
Способ осуществляется следующим образом.
Устройство для осуществления способа штамповки лопаток представляет собой штамповый комплект фиг.1 и 2. В комплект входит разъемная матрица 1, состоящая из двух полуматриц 2 с вертикальной плоскостью разъема, в которых выполнено горизонтальное сквозное отверстие, образующее приемник 3, и радиально расположенные относительно приемника полости 4 по форме и размерам соответствующие лопаткам, причем каждая из полуматриц 2 снабжена своим пуансоном 5.
Согласно изобретению, полости 4 для формообразования лопаток (пера 6 и замка 7) могут быть выполнены в плоскости разъема полуматриц 2 (см. фиг.1 и 2) или перпендикулярно плоскости разъема полуматриц 2, как показано на фиг.3 и 4.
Полуматрицы 2 смыкают по плоскости разъема, так что они образуют закрытую матрицу 1, как показано на фиг.5. Исходную цилиндрическую заготовку 8 вставляют в приемники 3. Затем пуансонами 5, которые входят в приемники 3 с обеих сторон, производят деформацию заготовки 8 в полости закрытой матрицы 1. В результате двустороннего приложения усилия к заготовке 8 происходит выдавливание металла исходной заготовки 8 в боковые полости 4, которые по форме и размерам соответствуют лопаткам. Положение пуансонов 5 в конце рабочего хода после полного формообразования лопаток показано на фиг.6. После окончания штамповки готовую поковку 9 извлекают, производя размыкание полуматриц 2. Поковка 9, как показано на фиг.7 и 8, представляет собой несколько (в данном случае четыре) заготовок лопаток 10, связанных замковыми частями 7 с прессостатком 11. Затем полученную много штучную поковку 9 помещают в обрезной штамп и отделяют лопатки 10 от прессостатка 11. Полученная по данному способу штампованная заготовка лопатки, которая показана на фиг.9, имеет минимальные припуски на дальнейшую механическую обработку, так как она была получена деформацией в закрытом штампе. Кроме того, пластическая деформация исходной заготовки 8 происходит с двусторонним приложением усилия со стороны пуансонов 5, а это обеспечивает благоприятные условия для формообразования лопаток и высокие степени деформации за счет бокового выдавливания. На фиг.10 и 11 показана поковка, полученная в матрице 1, где полости 4 выполнены перпендикулярно плоскости разъема полуматриц 2 (см. фиг.3 и 4). В таком штампе можно получить большее количество лопаток в одной поковке (см. фиг.10), но конструкция матрицы более сложна и стоимость ее будет выше.
Деформация с применением двустороннего прессования предпочтительна перед односторонним, так как очаг пластической деформации располагается симметрично, здесь не имеет место стеснение пластического течения металла, характерного для односторонней деформации, вследствие чего уменьшаются силы трения металла по стенкам штампа, что приводит к снижению усилия штамповки. Кроме того, при двусторонней штамповке скорость деформирования удваивается. Это обеспечивает очень высокую пластичность металла при штамповке, что гарантирует получение сложных поковок экструдированием в боковые полости штампа, достигаются исключительно высокие степени деформации в условиях всестороннего неравномерного сжатия. В результате прорабатывается и уплотняется структура металла и, соответственно, повышаются показатели механической прочности полученных заготовок лопаток.
Пример осуществления указанного способа.
По данному способу изготавливались лопатки компрессора ГТД с длиной 43 мм, шириной пера 22 мм, замка 27,5 мм из титанового сплава ВТ8. Размеры исходной заготовки: диаметр 30 мм, длина 141 мм. Заготовку нагревают в специальной установке, которая представляет собой механизированную печь-ванну. Нагрев в ней происходит в расплаве солей состава: 95% ВаСl2+5% MgF2, при температуре 960±10°C. Это позволяет защитить поверхность заготовки при нагреве. Кроме того, слой солей бария на поверхности заготовки является отличной смазкой при ее деформировании.
Устройство устанавливается на пресс модели ПМГ-2, работающий по принципу двусторонней штамповки. Данный пресс (фиг.12) имеет горизонтальную станину, на которой установлены ползуны 12 несущие полуматрицы 13 и ползуны 14 несущие пуансоны 15. Каждая группа ползунов имеет автономный привод. Два ползуна 14, несущие пуансоны 15, расположены симметрично на регулируемых направляющих и приводятся в движение винтовыми механизмами. Ползуны 12, к которым крепятся полуматрицы 13, установлены на станине в тех же направляющих и имеют привод продольного перемещения от гидроцилиндров. Для создания усилия зажима инструмента (полуматриц) в ползунах пресса предусмотрен специальный механизм. Для получения стабильных размеров деталей и стойкости инструмента необходима регулировка энергии удара, которая на данном прессе осуществляется изменением давления газогидравлического аккумулятора. Кроме того, данный пресс имеет предохранительное устройство, которое может ограничивать технологическое усилие.
Техническая характеристика пресса
Номинальное усилие, Т.с.
250
Кинетическая энергия, т.см
5
Мощность привода, кВт
60
Габаритные размеры, мм:
Длина
7800
Ширина
4650
Высота
2500
Масса, кг
20000
Ползуны 12 сдвигают вместе в средней части станины, так что полуматрицы 13 смыкаются, образуя закрытую матрицу, как показано на фиг.13. Нагретую исходную заготовку 16 вставляют сбоку в приемник матрицы (см. фиг.14). Затем включают рабочий ход ползунов 14. В конце рабочего хода пуансоны 15, закрепленные на ползунах 14, входят в приемники полуматриц 13, и производят деформацию заготовки 16 в полости закрытой матрицы. При этом кинетическая энергия подвижных частей винтового пресса, накопленная в процессе хода разгона, преобразуется в работу пластической деформации заготовки. В результате двустороннего приложения усилия к заготовке 16 происходит выдавливание металла в боковые полости 4 штампа (см. фиг.1 и фиг.3), которые по форме и размерам соответствуют лопаткам. Положение ползунов 14 в конце рабочего хода показано на фиг.15. После окончания штамповки готовая поковка 18 остается в одной из полуматриц 13 и должна быть извлечена из нее. С этой целью ползуны 12 перемещают по направляющим, производя размыкание полуматриц 13. Одновременно совершается выталкивание поковки 18, за счет ее взаимодействия с одним из пуансонов 15. Затем ползуны 12 продолжают ход разъема до встречи с ползунами 14, после чего одновременно происходит и ход ползунов 14 до упора в станину, как показано на фиг.16.
Из одной цилиндрической заготовки получили поковку на четыре штуки заготовок лопаток компрессора ГТД, как показано на фотографии фиг.17. Поковки получены описанным способом в штамповом комплекте подобном тому, который показан на фиг.3. При этом форма и размеры полученных заготовок лопаток близки к готовой детали, так как они формируются в полостях закрытой матрицы. Полученные заготовки лопаток отделяли от оставшейся части заготовки, так называемого прессостатка, в обрезном штампе. Затем штампованные заготовки лопаток, показанные на фиг.18, проходили операции механической обработки для снятия припуска и отделки поверхности по традиционной технологии. При этом количество операций механической обработки резко сократилось, так как припуски на механическую обработку очень низкие. Контроль и испытания полученных данным способом лопаток показали, что они удовлетворяют всем требованиям технических условий, как по структуре материала, так и по механическим свойствам.
В результате применения данного способа и устройства для штамповки лопаток достигнуты следующие показатели:
- Коэффициент использования материала (КИМ) не менее 0,35.
- Высокая производительность, так как за один ход пресса получили 4 штуки лопаток.
- Улучшение структуры и механических свойств материала лопатки.
- Снижение трудоемкости на 30% за счет сокращения числа операций механической обработки.