Устройство для штамповки моноколес

Полезная модель относится к обработке металлов давлением и может быть использована при изготовлении дисков с лопатками, в том числе рабочих колес центробежных машин - моноколес.
Моноколеса относятся к наиболее ответственным деталям газотурбинного двигателя. Надежность и себестоимость их изготовления неразрывно связана с уровнем технологии производства. В настоящее время моноколеса, как правило, изготовляются методами механической обработки, в результате чего 50-80% металла уходит в стружку. Также при механической обработке моноколеса не удается получить благоприятное распределение металла, которое бы способствовало максимальному сопротивлению возникающих в ходе эксплуатации нагрузок, вибронагрузок и т.д.
Перспективным способом получения моноколес является горячая объемная штамповка, применение которой позволяет получить благоприятное формирование текстуры материала в теле диска и лопатки, что обеспечивает повышенное сопротивления нагрузкам, возникающим в ходе эксплуатации, обеспечивает увеличение ресурса детали, уменьшает затраты материала, а также на 50-60% трудоемкость ее изготовления.
При горячей штамповке моноколес возможно получить деталь с рабочими поверхностями (перо лопаток), не требующими последующей механической обработки, или с минимальными припусками и напусками на последующую механическую обработку. Это позволяет сохранять полученные механические свойства материала, как результат течения его в полость ручья штампа.
Известен способ изготовления заготовок дисков с лопатками рабочих колес центробежных машин (авторское свидетельство № 1804945, класс В21К 3/04, 1993), при котором исходную заготовку размещают в секционной матрице, нагревают заготовку вместе со штампом и деформируют, приложением усилия к двум элементам верхней половины штампа.
Недостатками данного процесса являются высокая стоимость и низкая производительность.
Известно устройство для штамповки деталей типа «моноколеса» (лопаток) (патент RU 2501626 С2, В21К 3/04, 20.12.2013), принятый нами как наиболее близкий аналог (прототип). Указанное устройство для штамповки содержит разъемную матрицу, состоящую из двух полуматриц с вертикальной плоскостью разъема, выполненных со сквозным горизонтальным каналом для исходной цилиндрической заготовки, и два пуансона, установленные с возможностью приложения усилия деформирования к обоим торцам исходной заготовки, размещаемой в указанном сквозном горизонтальном канале.
Недостатками данного устройства (штампа) является невозможность получения поковки моноколеса высокого качества сложной формы с большой степенью закрутки лопастей и, следовательно, отсутствие возможности извлечения такой поковки моноколеса из разъемной матрицы.
Технический результат заявленной полезной заключается в повышении качества штамповки моноколеса сложной формы с большой степенью закрутки лопастей с обеспечением отделения такого моноколеса после штамповки.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что устройство для штамповки моноколес содержит разъемную матрицу, состоящую из двух полуматриц с вертикальной плоскостью разъема, выполненных со сквозным горизонтальным каналом для исходной цилиндрической заготовки, и два пуансона, установленные в упомянутом сквозном канале полуматриц с возможностью приложения усилия деформирования к обоим торцам исходной заготовки. При этом каждая полуматрица выполнена в виде основания и секций, радиально установленных в упомянутом основании с образованием между секциями полостей, по форме и размерам соответствующих лопастям моноколеса, и с возможностью отделения от основания после окончания штамповки вместе с поковкой моноколеса.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показано устройство для штамповки моноколес.
На фиг. 2 показан вид по А-А устройства по фиг. 1.
На фиг. 3-6 показаны этапы штамповки моноколеса.
На фиг. 7 показана полученная поковка моноколеса.
Устройство для осуществления штамповки моноколес представляет собой штамповый комплект, показанный на фиг. 1 и 2. В комплект входят: разъемная матрица 1, состоящая из двух полуматриц 2 с вертикальной плоскостью разъема, в каждой из которых выполнено горизонтальное сквозное отверстие 3, образующие сквозной канал - приемник для размещения исходной заготовки. Два пуансона 4, которые по размерам соответствуют отверстиям 3 каждой из полуматриц 2, установлены с возможностью приложения усилия деформирования к обоим торцам заготовки, размещаемой в указанном канале.
Каждая из полуматриц 2 состоит из радиально расположенных относительно приемника секций 5, образующих в промежутках между ними полости 6, по форме и размерам соответствующие лопастям моноколеса. Каждая секция 5 устанавливается в полуматрицу 2 при помощи выступов 7, которые вставляются в соответствующие по форме и размерам пазы в основании полуматрицы для исключения смещения секций в момент штамповки.
Данное устройство для штамповки моноколес в виде штампового комплекта устанавливается на специализированный пресс двустороннего деформирования модели ПМГ-2, который оборудован средствами (подвижными органами - ползунами) для установки подобных устройств и выполнения соответствующего цикла штамповки. При этом полуматрицы 2 устанавливаются на ползунах в средней части пресса, а пуансоны 4 на других ползунах по обе стороны от центра, как показано на фиг. 3.
Устройство для штамповки моноколес в виде штампового комплекта работает следующим образом.
Полуматрицы 2 в исходном положении устройства, фиг. 3, сомкнуты по плоскости разъема, так что образуют закрытую матрицу 1. Исходную цилиндрическую заготовку 8, предварительно нагретую в печи до необходимой температуры, вставляют в приемники 3, как показано на фиг. 4. Затем пуансонами 4, 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 производится ее объемное деформирование - выдавливание (экструдирование) металла исходной заготовки 8 в боковые полости 6, которые по форме и размерам соответствуют лопастям моноколеса. Таким образом, получают оформление лопастей моноколеса горячим деформированием в закрытом штампе. Положение пуансонов 4 в конце рабочего хода после полного формообразования моноколеса показано на фиг. 5.
После окончания штамповки готовую поковку 9 извлекают, производя размыкание полуматриц 2, как показано на фиг. 6. При этом поковка моноколеса выталкивается из матрицы 1 одновременно двумя пуансонами 4 вместе с секциями 5. Это связано с тем, что сложная форма лопастей моноколеса не позволяет извлечь его из цельной матрицы 1. Наличие разъемной матрицы 1, состоящей из двух полуматриц 2, позволяет разделить каждую секцию 5 на две части, что позволяет получать в данном устройстве сложные моноколеса, с большой степенью закрутки лопастей. Затем секции 5 отделяют от поковки 9 и вновь вставляют своими выступами 7 в соответствующие по форме и размерам пазы в полуматрицах 2.
Полученная штампованная поковка 9 - заготовка моноколеса, которая показана на фиг. 7, имеет минимальные припуски на дальнейшую полировку по лопастям, так как они были получены деформацией в закрытом штампе. Кроме того, пластическая деформация исходной заготовки 8 происходит с двусторонним приложением усилия со стороны пуансонов 4, а это обеспечивает благоприятные условия для формообразования лопастей моноколеса и высокие степени деформации за счет бокового выдавливания.
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 моноколес. Благоприятное формирование текстуры материала в теле диска и лопатки обеспечивает повышенное сопротивления нагрузкам, возникающим в ходе эксплуатации, обеспечивает увеличение ресурса моноколеса, уменьшает затраты материала, а также на 50-60% уменьшает трудоемкость ее изготовления.