Периодическая прокатка заготовок лопаток компрессора газотурбинных двигателей с аэродинамическим профилем

УДК 629.7.036.3

Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ПРОКАТКА ЗАГОТОВОК ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРОФИЛЕМ

В работе рассмотрены вопросы профилирования валков для получения периодической прокатки заготовок лопаток с аэродинамическим профилем.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Улучшение основных параметров двигателя летательного аппарата, его надежность, ресурс работы и экономичность тесно связаны с качеством изготовления основных деталей.

Высокая точность и жесткие требования к качеству поверхности и физико-механическим свойствам материала в поверхностном слое, широкое использование жаропрочных и легких сплавов, применение новейших методов производства заготовок и деталей - современные особенности авиационного двигателестроения.

Даже при небольших программах производства деталей, в настоящее время для получения их заготовок применяют такие методы обработки металлов давлением, как горячая и холодная штамповка, прессование, волочение, продольная периодическая прокатка и другие, обеспечивающие определенное расположение волокон и необходимые степени деформации при дальнейшей обработке, а также требуемые физико-механические свойства.

При разработке технологии изготовления новых изделий и совершенствования уже применяемой технологии целесообразно использовать только прогрессивные высокопроизводительные и эффективные процессы, обеспечивающие в значительной степени дальнейшее развитие двигателестро-ения.

При этом выбор технологической схемы и разработку процессов производства ответственных деталей следует увязывать с серийностью изделий, так как в зависимости от этого могут быть рекомендованы различные способы их получения, но в любом случае они должны быть просты и экономичны в изготовлении оснастки и подготовке к производству.

В настоящее время вопрос об оптимальной технологической схеме для производства изделий сложной конфигурации остается открытым, о чем свидетельствует многообразие применяемых схем, включающих различные способы производства (механическая обработка на металлорежущих станках, штамповка, выдавливание, вальцевание, продольная периодическая прокатка).

Продольная периодическая прокатка является в настоящее время достаточно хорошо освоенным процессом предварительного формирования заготовок лопаток ГТД, впервые освоенном на ОАО "Мотор Сич" (г. Запорожье).

За последние годы периодическая прокатка в основном заготовок лопаток проводилась на ряде других предприятий России (Уфа, Рыбинск и др.). При этом определились такие основные направления применения периодической прокатки:

- для последующей штамповки и калибровки с припуском 0,8-1,0 мм на кривошипных горячеш-тамповочных прессах;

- калибровки на гидровинтовых или фрикционных прессах с припуском 0,2-0,4 мм;

- изотермической штамповки или калибровки,

- холодного вальцевания с припуском 0,05-0,15 мм.

Производство заготовок под холодное вальцевание намного эффективнее, однако сопряжено со значительными трудностями, так как требования, предъявляемые к этим заготовкам более жесткие, чем требования, предъявляемые к заготовкам под штамповку или горячее вальцевание.

Цель исследований

Цель работы - аналитическое определение параметров рабочей части валков для периодической прокатки заготовок лопаток с аэродинамическим профилем пера с последующим холодным вальцеванием.

Содержание и результат исследований

В основу расчета координат точек поверхности сечений пера прокатываемого аэродинамического профиля лопаток положен профиль заготовки лопатки с припуском под холодное вальцевание с расширенной входной и выходной кромками, перо которой задано в координатах Х-У.

Для этого выполняется пересчет размеров сечения пера лопатки (с целью поворота его на угол, соответствующий наиболее благоприятным условиям прокатки, когда входная и выходная кромки и все сечения находятся на одном уровне). При этом хвостовик лопатки поворачивается вместе с

© Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан 2006 г.

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2006 # 95 —

близлежащим (базовым) сечением на необходимый расчетный угол.

Для пересчета координат точек поверхности сечений пера лопатки определяем угол между касательной к крайним точкам со стороны корыта (рис. 1):

сечению, при условии, что после поворота ya = Y¡

tgm = ¡-!-!-!

£ А + Б

Рис. 1. Схема построения сечений пера лопатки при калибровке валков для прокатки заготовок лопаток с аэродинамическим профилем пера

Приняв прикорневое сечение за базовое, и считая его повернутым в горизонтальное положение, определяем относительно этого сечения угол поворота ф каждого расчетного сечения, при условии, что угол ф положительный, если поворот производится против часовой стрелки. Для каждой точки расчетного сечения, используя известные формулы поворота осей, определяем новые координаты:

а) при повороте осей против часовой стрелки:

Х',(С, к) = X,(C, к) С08Ф + Y,(C, к)sm Ф,

Ki = Y{AE)баз — YA)i

Б

Используя формулы параллельного переноса осей декартовых координат, окончательно определяем координаты точек сечений пера лопатки:

Yi(C,K) - Yi(C,K) ± Ki

На рис. 2 представлена спроектированная таким образом заготовка рабочей лопатки 1 ступени КВД изделия АИ-25.

На основании разработанной заготовки лопатки производится расчет калибров валков, при котором определяется диаметр начальной окружности валка при прокате заготовок лопаток симметричных относительно горизонтальной оси и катающие радиусы в точках, по которым ведется построение профиля валка с учетом упругой деформации клети стана.

Прокатка заготовок лопаток осуществляется в калибрах валков, которые имеют переменный радиус. Калибровка валков, обеспечивающая получение в пределах поля допусков необходимых размеров различных участков по длине кратности, должна учитывать закономерности процесса прокатки с постоянно изменяющимися параметрами.

Определяем расстояние от начальной окружности (нейтральной линии прокатки, совмещенной с центром тяжести сечения прокатываемого пера заготовки лопатки) до катающего диаметра:

Ai = RH — RKi

где Кн - номинальный радиус валков стана, здесь

2Кн = ДН = 330 мм;

Кп - катающий радиус сечения пера или хвостовика заготовки лопатки.

Среднее расстояние от начальной окружности

до катающей по перу Аср.п. и хвостовику Аср.хв. заготовки составит:

Yi(c,к) = -X,(C,к)smФ + Y,(C,K)cosФ ; (2) б) при повороте по часовой стрелке:

хi(C,к) = Xi(c,к) С08Ф - Yi(c,к)smФ ,

Yi

После пересчета координат yA • YБ в новых осях

определяем величину дополнительного подгиба сечений по отношению к базовому прикорневому

Аср.П. = RH — RKcp.n.

а = r — r

^ср.хв. ~ ЛН ЛКср.хв.

где В-кср.п,хв. - средние катающие радиусы для

участка пера и замка заготовки.

Средний катающий радиус по перу и хвостовику лопатки определяется по выражению:

После

72,61

52,15 47,41 42,14 34,77 47,41 18,96 10,54 5,27 8,11

IV

IV

VI

VI

мах. ширина разрезки

до линии отрезки

V

69,41

IV

IV

После отрезки

ш

ш

симметрии замка

Вид А

к^птга V IV ш II

ВиД В 1*1,8

Ш,8

Рис. 2. Заготовка лопатки 1 ступени компрессора для периодической прокатки

А

V

1-1

I

I

ти:

я

Кср.П., хв.

X Як,

I=1

где п - количество сечений по длине пера и хвостовика заготовки, на которых определялось значение катающего радиуса.

Среднее опережение по длине хвостовика принимаем на основании опытных данных, равным 2-3 %, а по длине пера рассчитываем с учетом прокатки с убыванием обжатия по формуле:

=

К, ( к

Ьв

к

V вых

--2

Руф

-1,

где ЬУ, Ьвых

ральном сечении и сечении выхода материала из валков;

к/, квЬа - высота полосы в соответствующих сечениях;

Ру - радиус кривизны валков в зоне нейтрального угла;

у - угол клиновидности переходных участков валков;

X - угол, соответствующий сечению выхода металла из валков по отношению к линии центров.

Длина одного калибра I' на катающей окружности валка составит:

ширина очага деформации в нейт-

I' = 1'п + 1'хв =

п

I х

К1ПК2 К1хв.К2

где 1'п, 1'хв. - соответственно длина пера и хвостовика катающей окружности;

1П, 1хв - длина пера и хвостовика принятой заготовки;

К1П, К1хв - коэффициенты опережения для пера и хвостовика заготовки

к1П = (1 + ^уп X К1хв. = ( + $Ухв.);

К2 - температурный коэффициент усадки горячей заготовки с температуры прокатки.

Длина одного калибра на начальной окружнос-

тивалка 1НО будет равна:

НО

V /' 1П _ + _1 хв

КП Кхв.

где Кп, хв. - коэффициенты опережения для пера и хвостовика, отнесенные к начальной окружнос-

Кп = К

П1

К1хв. = Кхв. 1

ДКП

ДНО'

ДКхв

Дно

где Дк п, хв. - соответственно катающие диаметры по перу и хвостовику.

Определяем количество заготовок лопаток на начальной окружности:

пДНО =1 НО •п' ,

п' = жД'НО

I

НО

В нашем случае для стана 330 (ОАО "Мотор Сич") Д'НО = 330 мм.

Округляем п до ближайшего целого числа п и окончательно находим:

Дно =

1 но •п

Определяем центральные углы для элементов заготовки по известным выражениям:

а п = 57,3

а з = 57,3

п

Дно

, град.,

Дно

, град.

Изменение давления в широких пределах при периодической прокатке заготовок лопаток вызывает изменение общей упругой деформации клети стана а, следовательно, высоты сечений лопатки выходящей из валков.

Высота сечения калибра поэтому должна быть не меньше высоты соответствующего сечения прокатываемой заготовки на величину зазора между валками при нагружении:

кК = кЗ - 8 .

Зазор между валками при нагружении зависит от пружины клети и от зазора между валками до нагружения:

8 = А + 81,

где а - "пружина" стана;

81 - зазор между валками до нагружения:

п

к

вых

К

I

хв.

8! = (0...0,3)Д.

"Пружина" стана (рис. 3) зависит от давления прокатываемого металла на валки в каждом конкретном сечении:

A - КжР1 ,

где Кж - коэффициент жесткости рабочей клети стана;

Р, - текущее значение давления.

На соответствующих центральных углах элементов заготовки определяем катающие радиусы в точках, по которым ведется построение профиля валка, с учетом "пружины" стана и первоначального зазора между валками:

rk -

дно - h3 + a + si 2

я

сз

£ &

о

1-е

2,40 2,00 1,60 1,20 0,8

20 30 40 50 60 70 80 100 Давление на валки, ТС

Рис. 3. Упругая деформация рабочей клети стана 330

На основании представленных зависимостей выполнена калибровка (построение) валков для стана 330 производства " Мотор Сич" рабочей лопатки 1 ступени КВД авиадвигателя АИ-25 (рис. 4).

Для построения профиля на валке линию начальной окружности совмещаем с осью симметрии хвостовика в корневом сечении (1Х-1Х), в которой точка пересечения главных осей пера XV лежит на его оси симметрии. В других сечениях эта точка смещена на величину К. Так как лопатка имеет разное положение входной и выходной кромок, выпуски (диаметры) валков имеют разное значение. По разработанной калибровке верхний валок имеет несколько больший диаметр и поэтому прокатка происходит с верхним давлением и съем полосы производится с нижнего валка.

Калибровка валков для прокатки заготовок лопаток с аэродинамическим профилем имеет также ту особенность, что в ней иногда не может быть учтена упругая деформация клети стана за счет

уменьшения глубины ручья калибра. Указанная корректировка может привести к искажению геометрии профиля валка и, как следствие, самого профиля заготовки. Упругую деформацию клети стана можно учесть только путем увеличения глубины ручья калибра, что, в силу увеличения заданной толщины профиля пера, может сделать прокатку аэродинамического профиля нецелесообразной. Если такое увеличение толщины профиля пера нежелательно из-за экономических соображений, то перепад толщины профиля по длине прокатного периода может быть устранен или снижением усилия прокатки, или применением станов с клетями повышенной жесткости.

Выполненная калибровка инструмента позволила разработать технологический процесс и произвести прокатку заготовок лопаток 1 и 5 ступеней КВД авиадвигателя АИ-25 из титанового сплава ВТ8 (рис. 5).

На основании анализа размеров прокатных заготовок лопаток построены зависимости отклонения максимальной толщины пера по сечениям (Cmax) для первой и последней заготовки в полосе по ходу прокатки (рис. 6).

Здесь нижняя кривая соответствует средним значениям этих отклонений для первых по ходу заготовок лопаток, верхняя - последних. Из этих кривых видно, что от первого до второго-третьего сечений превышение толщины пера сверх заданной находится примерно на одном уровне. Начиная с сечения III-III - это превышение уменьшается в связи с тем, что в момент выхода сечения IIIIII из валиков в очаг деформации вступает хвостовая часть (впадина) и давление металла на валки и, следовательно, упругая деформация клети стана понижается. Толщина пера по Cmax в VII-VIII сечениях близка к допускаемой.

Из рис. 6 видно, что время переноса полосы от печи к валкам существенно повышает давление металла на валки и упругую деформацию клети стана. Разница в толщине пера по сечениям между первой и 5-6 заготовками лопаток составляет на одних полосах 0,1-0,15 мм, на других 0,20-0,25 мм.

Применение индукционного нагрева с расположением индуктора в непосредственной близости от валков позволит устранить этот недостаток нагрева в электропечах и увеличить производительность прокатки за счет увеличения длины полос и полной автоматизации процесса.

Полученные прокаткой заготовки 1 ступени имели толщину по Cmax больше допустимой на 0,5-0,9 мм ввиду недостаточной жесткости клети стана 330. После калибровки в штампе эта толщина превышала необходимую по сечениям на 0,15-0,35 мм и, ввиду последующего холодного вальцевания пера, оказались непригодной. При изготовлении лопаток 1 ступени с припуском 0,5 мм на сторону технология периодической прокатки заготовок ло-

Вид А

А - А

г! 4°39' IX' __ 0,2

Я2.4 я

I'

11Х'

Рис. 4. Калибровка нижнего валка для прокатки 1 ступени рабочей лопатки КВД

паток с аэродинамическим профилем и последующей калибровкой может быть успешно применена в промышленности на прокатных станах разработанной конструкции.

Прокатка полос лопаток 5 ступени (рис. 5, б, полосы № 35 и 40) показала, что превышение толщины пера по Стах в сечениях !-!У составляет не более 0,52-0,68 мм, а перепад для одного периода лопатки не более 0,2 мм.

АС

max 0,8

0,6

0,4

0,2 0

M К, верх нее

—^S ч ' tv 4

н ижн ее^ | ___ :

I II III IV V VI VII VIII сечения пера

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6

пол оса '

8 ' \t

гб поло са 4 )-

голоса 35

II III IV V VI

2,4,6,8 - номера периодов по х - прокатки

II III IV V VI

Сечения пера б

Рис. 6. Изменение отклонений максимальной толщины пера по сечениям по ходу прокатки для заготовок лопаток 1(а) и 5(б) ступеней

а

а

б

Рис. 5. Заготовки лопаток 1 (а) и 5 (б) ступеней КВД авиадвигателя АИ-25, прокатанные с аэродинамическим профилем пера

Проведенные металлографические и металлургические исследования показали, что качество материала полностью соответствует требованиям технических условий, распространяющихся для рабочих лопаток авиадвигателя АИ-25.

Разработанная технология и полученные заготовки лопаток с аэродинамическим профилем пера и сложной формой хвостовика показали возможность успешного применения для их производства прогрессивного и высокоэффективного метода продольной периодической прокатки, повышающего производительность труда и уменьшающего затраты металла.

Перспективы дальнейших исследований

Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение влияния технологической наследственности процесса периодической прокатки заготовок лопаток на их эксплуатационные свойства.

Выводы

Предложенное решение позволяет аналитически определить профиль заготовки лопатки с аэродинамическим профилем и рабочей части валков при периодической прокатке для последующего холодного вальцевания.

Список литературы

1. Богуслаев В.А. , Качан А.Я., Мозговой В.Ф., Кореневский Е.Я. Технология производства авиационных двигателей. - Запорожье, Издательство ОАО "Мотор Сич", 2000. - 945 с.

2. Богуслаев В.А, Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д. и др. Технологическое обеспечение экс-плу-атационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора, часть !, монография. - Запорожье, Издательство ОАО "Мотор Сич", 2003. - 395 с.

Поступила в редакцию 24.05.2006 г.

Уробот1 розглянут'1 питання проф1лювання вальи,1в для одержання пер1одично!'прокатки загот1вок лопаток з аеродинам1чним проф1лем.

The questions of profiling rolls for getting periodical mangle of aircraft engine blades blanks with aerodynamic airfoil are considered.