СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ КОЛЕЦ
METHOD OF FABRICATING SEAL RINGS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления уплотнительных колец, используемых для производства узлов и агрегатов широкого спектра изделий, в том числе, авиационных газотурбинных двигателей.
2
Известен способ изготовления уплотнительных колец, включающий введение в порошковую медь сернокислого цинка в количестве 0,4-0,6 мас.% и индустриального масла в количестве 1,5-3,0 мас.%, перемешивание компонентов и формование из полученной массы колец при давлении 3,5-4 т/см и последующее спекание их в инертной атмосфере при 850-980°C в течение 1-2 ч.
(см. патент РФ №2376109, кл. B22F 3/12, 2009 г.)
Недостатком данного способа является высокие себестоимость, трудоемкость изготовления и низкая жаропрочность колец.
Известен способ изготовления профильных кольцевых деталей, включающий последовательно осуществляемые операции отрезки полосы, гибки ее в кольцо, сварки концов встык, предварительной раскатки кольцевой заготовки с утолщениями на наружной поверхности и окончательной раскатки с отбортовкой, причем перед предварительной раскаткой кольцевой заготовки с утолщениями на наружной поверхности дополнительно осуществляют раскатку с утолщениями как на наружной, так и на внутренней поверхности кольцевой заготовки (см. Авторское свидетельство СССР №1177992, кл. В21Н 1/06, 2006 г.).
Недостатком указанного способа также является высокие себестоимость и трудоемкость изготовления.
Известен способ изготовления уплотнительных колец, согласно которому деформирование кольцевой заготовки осуществляют в штампе, после чего ее подвергают обточке и шлифовке по внутреннему и наружному диаметрам, причем деформирование заготовки осуществляют по переменной площади зоны торцевой поверхности, не воспринимающей давления (см. Авторское свидетельство СССР №296359, кл B21D 53/20, 2004 г.) - наиболее близкий аналог.
Недостатком способа является нестабильность получения заданных диаметров и невозможность достижения максимальных свойств в детали, так как при деформировании кольцевой заготовки не учитывают как исходного расположения волокна в заготовке, так и его трансформации при штамповке.
Техническим результатом предлагаемого способа является устранение указанных недостатков и достижение максимальных механических и жаропрочных свойств в уплотнительных кольцах, снижение трудоемкости их изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления уплотнительных колец осуществляют путем гибки профильного прутка в кольцо, сварки кольца по торцам прутка и деформирование сварного кольца в плоское кольцо.
Гибку профильного прутка и деформацию сварного кольца в плоское кольцо из аустенитных сталей и никелевых сплавов осуществляют в холодную после закалки.
При этом деформирование сварного кольца в плоское кольцо осуществляют с относительной деформацией не менее 0,4 (степенью деформации не менее 40%).
Кроме того деформирование сварного кольца в плоское кольцо осуществляют в штампе.
При использовании профильного прутка, в котором волокно расположено вдоль прутка, после гибки получают кольцо, волокно в котором ориентировано в тангенциальном направлении (по образующей кольца) с максимальным уровнем свойств и жесткостью детали.
Сварка при этом является вспомогательной операцией, позволяющая жестко зафиксировать размеры исходной заготовки под деформацию
Деформирование сварного кольца из профильного прутка позволяет приблизить размеры заготовки к размерам детали.
Закалка аустенитных сталей и никелевых сплавов позволяет снизить значительно их прочность и повысить пластичность, что позволяет осуществлять их деформирование в холодном состоянии.
Деформирование в холодную аустенитных сталей и никелевых сплавов с относительной деформацией не менее 0,4 (40%) позволяет значительно сократить время старения уплотнительных колец при окончательной термообработке и заменить ее на термомеханическую и, тем самым, повысить прочность и износостойкость деталей. Деформирование сварной заготовки с меньшей относительной деформацией неэффективно, как с точки зрения неоднородности деформации по сечению поковки, так и достижения максимальных свойств.
Деформирование сварного кольца из профильного прутка в штампе позволяет получить заготовку с минимальными припусками.
Способ осуществляют следующим образом.
Для осуществления способа в качестве заготовок используют профильные прутки (круглого, квадратного и многогранного профиля) по площади сечения близких к площади сечения детали уплотнительного кольца. При деформировании в штампе используют прутки любого профиля, а при свободной осадке на плоских плитах - круглого, так как на таких прутках усилие осадки минимально.
Первоначально осуществляют гибку профильного прутка в кольцо. Данная операция может осуществляться гибкой профильного прутка на гибочных вальцах или на оправке вручную.
Далее производят сварку в кондукторе полученного кольца по его торцам и зачистку сварного соединения. Данная операция может быть осуществлена как ручной и автоматической сваркой плавлением, так и стыковой сваркой (в зависимости от металла и сплава).
Формирование из сварного кольца плоского кольца осуществляют его деформированием - осадкой на плоских плитах до толщины кольца под молотом или прессом, или в подкладных или стационарных штампах на молоте или прессе. При этом может быть использовано имеющееся на предприятии кузнечно-прессовое оборудование указанного вида. А осадка сваренной заготовки в холодную может осуществляться частями.
Закалку заготовок из аустенитных сталей и никелевых сплавов осуществляют как непосредственно на профильных прутках перед гибкой или кольцевой сваренной заготовки перед деформированием в плоское кольцо. Либо производят дважды - перед гибкой и осадкой (в зависимости от степени упрочнения исходного материала после гибки).
Преимущества предлагаемого способа изготовления уплотнительных колец по сравнению с известными способами состоит в том, что он позволят получать уплотнительные кольца с минимальными припусками на обработку и максимальными механическими и жаропрочными свойствами сталей и сплавов с заданной текстурой деформации.
Сущность заявленного способа будет более понятна из приведенного ниже примера.
Пример.
Изготавливали разрезные уплотнительные кольца ротора компрессора газотурбинного двигателя из стали 10Х11Н23Т3МР - ВД (ЭП33-ВД). Чистовые размеры колец следующие:
диаметр наружный - 330 мм; диаметр внутренний - 317 мм; толщина кольца - 2,5 мм;
ширина реза 1,3 мм, на внутреннем диаметре две фаски 0,6×45°.
-0,3
Калиброванные прутки диаметром 6 мм и длиной 1100 мм закалили от температуры 1100°С в масле и передали в заготовительный цех на гибку. В заготовительном цехе на гибочных 4х валковых вальцах произвели гибку прутков в кольца с наружным диаметром 330 мм. Затем полученные заготовки установили в кондуктор и сварили по торцам аргонно - дуговой сваркой под флюсом вручную. Зачистили сварные швы и проверили размеры заготовок. После чего передали в термический цех на повторную закалку, а затем в кузнечно - прессовый цех на осадку. В кузнечно - прессовом цехе под молотом свободной ковки 3т на плоских бойках установили подкладной штамп, состоящий из плоской подштамповой плиты, кольцевой матрицы с внутренним диаметром 330 мм и пуансона диаметром 330 мм.
Полученные из термического цеха заготовки устанавливали в матрицу, накладывали пуансон и осадкой сваренной заготовки с диаметра 6 мм до толщины 2,5 мм под молотом в холодную получали кольца диаметром наружным 330 мм, диаметром внутренним 315 мм и толщиной 2,5 мм. При этом относительная деформация составила 0,583 (58,3%). То есть более 0,4. Полученные заготовки передали в механический цех на проточку по внутреннему диаметру. Заготовки закрепили на план - шайбах и провели токарную обработку внутреннего диаметра 317 мм кольца с оформлением двух фасок 0,6×45°. Затем на электроэррозионном станке произвели разрезку колец по сварному шву с шириной реза 1,3 мм и передали в термический цех на старение.
В термическом цехе партию колец из 5 штук закрепили в фиксирующем устройстве и поместили в нагревательную печь на старение. Старение провели при температуре 750°С в течение 5 часов с последующим охлаждением колец на воздухе. После старения кольца обработали пескоструйной обработкой и передали в механический цех на испытания и доводку (шлифовку и полировку - по необходимости). Одно из колец партии разрезали на 4 части и произвели на них замер твердости. При требованиях чертежа 302…363 НВ, твердость на изготовленных кольцах составила 368…380 НВ. Готовые кольца из этой партии передали на хромирование, а после хромирования в сборочный цех.
По тому же способу изготавливали уплотнительные кольца с меньшим наружным диаметром - 276 мм и 132 мм для ротора компрессора перспективного ГТД.
По сравнению с известными способами изготовления уплотнительных колец ГТД из жаропрочных сталей и сплавов предлагаемый позволяет существенно повысить коэффициент использования металла, снизить время старения колец с 32 часов (по существующим способам) до 5 часов. Повысить твердость колец за счет применения термомеханической обработки (холодная деформация величиной не менее 0,4 + старение) вместо термообработки (старения).