СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКА-КОЛЬЦА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR MANUFACTURING A DISK RING FOR GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при изготовлении дисков роторов газотурбинных двигателей и роторов энергоустановок.
Известен способ изготовления диска путем секционной штамповки предварительно осаженной цилиндрической заготовки (Я.М. Охрименко Технология кузнечно-штамповочного производства - М.: Машиностроение, 1976 г. 556 с.).
Недостатком способа является необходимость изготовления специализированной массивной оснастки для каждой номенклатуры дисков и низкая производительность процесса, особенно для дисков газотурбинных двигателей (ГТД), имеющих малую толщину полотна (5-10 мм) из трудно деформируемых жаропрочных сплавов (титановых и никелевых).
Известен способ изготовления диска ГТД путем изотермической раскатки предварительно осаженной заготовки на специализированном стане (Патент РФ №2254195, МПК 21Н 1/02 Способ изготовления осесимметричных деталей. Опубл. 20.06.2005 Бюл. №17).
Недостатком указанного способа также является низкая производительность и необходимость подготовки структуры материала под раскатку, так как последнюю производят в режиме сверхпластичности.
Известен способ изготовления диска ГТД, включающий формовку заготовки стакана и ее последующее формоизменение с получением окончательных размеров диска путем раздачи и разворачивания стенки стакана в плоское кольцо (Патент РФ №2374028, МПК В21К 1/32. Опубл. 27.11.2009 Бюл. №33).
Недостатком способа является необходимость изготовления специализированной штамповой оснастки и использование уникального прессового оборудования большой силы для предварительной формовки заготовки стакана штамповкой.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления диска газотурбинного двигателя из трубной цилиндрической заготовки, включающий ее раздачу коническим пуансоном с получением конической заготовки и последующую развертку этой заготовки в диск - кольцо плоскими плитами под прессом (Патент РФ №2687117 МПК В21К 1/32. Опубл. 07.05.2019 Бюл. №13).
Недостатком способа является необходимость изготовления гаммы массивных конических пуансонов с увеличивающейся конусностью, особенно для изготовления тонкостенных дисков большого диаметра роторов перспективных ГТД (до 1500 мм).
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является универсальность применения предлагаемого способа к различным деформируемым сталям и сплавам при минимальных энергосиловых параметрах обрабатывающего оборудования для формоизменения заготовок и обеспечения заданного техническими требованиями уровня физико-механических свойств для дисков ГТД.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкого диска - кольца большого диаметра для газотурбинного двигателя из трубной цилиндрической заготовки большой длины, включающем раздачу трубной цилиндрической заготовки коническим пуансоном с получением конической заготовки и последующую развертку этой заготовки в тонкий диск - кольцо плоскими плитами под прессом, раздачу и развертку трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят по частям длины заготовки путем многоступенчатой наружной отбортовки ее стенки.
При этом наружную отбортовку частей длины трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят циклоидальным пуансоном с рабочей поверхностью.
Кроме того, наружную отбортовку частей длины трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят в интервале температур горячей штамповки стали и сплава.
А3
н
р
В способе наружную отбортовку частей длины трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят в интервале температур Т>Т≥Т стали и сплава.
Использование операции многоступенчатой наружной отбортовки стенки трубной цилиндрической заготовки большой длины в кольцеобразное полотно диска - кольца большого диаметра позволяет получать диски ГТД с тонким полотном на оборудовании малой мощности.
Проведение наружной отбортовки частей длины трубной цилиндрической заготовки пуансоном с циклоидальной рабочей поверхностью позволяет получить заготовку диска - кольца с минимальным утонением толщины стенки трубной заготовки по радиусу диска.
Выполнение наружной отбортовки частей длины трубной цилиндрической заготовки производят в интервале температур горячей штамповки стали и сплава, это позволяет провести формовку диска - кольца с минимальным усилием деформации.
А3
н
р
Выполнение наружной отбортовки частей длины трубной цилиндрической заготовки в интервале температур Т>Т≥Т стали и сплава позволяет получить в готовом диске ГТД максимальный уровень физико-механических свойств на краю (ободе) диска - в зоне крепления лопаток.
Наружная отбортовка частей длины трубной цилиндрической заготовки в интервале температур сверхпластичности стали и сплава позволяет значительно снизить силу деформации при формовке диска -кольца.
Сущность предлагаемого технического решения представлена на чертеже фиг. 1. Где схематически изображена начальная стадия многоступенчатой формовки (после трех ступеней отбортовки) диска - кольца отбортовкой стенки трубной заготовки.
Экспериментально доказано, что устойчивость стенки трубной заготовки при нагреве до ковочных температур на жаропрочных сплавах сохраняется при отношении высоты заготовки к толщине стенки не более 7.
Это ограничение и является базовым для задания части трубной заготовки большой длины под ступень отбортовки.
В качестве примера использования предлагаемой заготовки диска может служить заготовка диска ротора компрессора перспективного авиационного двигателя, изготовленная из деформируемого жаропрочного сплава на никелевой основе ЭП742 - ИД.
Заготовка диска с припусками на механическую обработку имеет следующие размеры: внешний диаметр диска - D=800 мм, диаметр отверстия диска - d=120 мм и толщина диска - h=50 мм. Масса поковки диска составляет - 208 кг.
Для изготовления указанной поковки диска ГТД была выбрана трубная заготовка с размерами ∅220 × ∅120 × 900 мм. С учетом указанного выше соотношения по продольной устойчивости трубы, поковка диска была изготовлена за три ступени отбортовки по длине трубной заготовки: 350 мм (1), 350 мм (2) и 200 мм (3), на гидравлическом прессе силой 600 тс. в интервале температур 1050 - 1180°C с использованием циклоидального пуансона с рабочей поверхностью, образованной окружностью ∅120 мм (равной внутреннему диаметру трубы и отверстию диска) и диаметром 120 мм заходной части пуансона.
После трехступенчатой отбортовки трубной заготовки в диск, провели его правку на плоских плитах под прессом.
ш
Изготовление аналогичной поковки диска по традиционной технологии потребует изготовления специальных штампов из жаропрочных сплавов и проведения штамповки в изотермических условиях (Т=1050 - 1100°С) на уникальном прессовом оборудовании усилием более 50000 тс.
По предлагаемому техническому решению изготовление трубной заготовки (в том числе ступенчатой) возможно как прокаткой, так и свободной ковкой на стандартном оборудовании. А операция отбортовки может проводится как на серийных гидравлических прессах, так и на фланце раскатных станках.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать на имеющемся оборудовании на металлургических и машиностроительных заводах России тонкие диски ГТД большого диаметра для перспективных авиационных двигателей большой мощности.