Исследование плотности материалов после вальцовки

КОХАН Лев Соломонович

ПУНИН Владимир Иванович

(МГТУ им. Баумана) PUNIN Vladimir Ivanovich

РЕМПЕЛЬ Георгий Борисович

УДК 621.73.047(045)-034.14

Исследование плотности материалов после вальцовки

Л.С. Кохан, В.И. Пунин, Г.Б. Ремпель

К ответственным деталям для авиационного моторостроения предъявляются крайне высокие требования. Общая прочность этих деталей и, особенно, распределение прочности по их сечению должны соответствовать жестким стандартам. Кроме того, в условиях растущей конкуренции со стороны стран Евросоюза и США требуется постоянное совершенствование технологий изготовления таких деталей с целью повышения прочностных свойств и снижения расходов на их изготовление.

При этом важную роль играет исследование изменения плотности материала при различных условиях деформирования на основании чего разработана технология горячего вальцевания и прокатки заготовки детали типа «лопатка направляющая компрессора высокого давления», которая предполагает обеспечение высокой прочности детали, а также повышение коэффициента использования металла.

Исследована прочность заготовки детали путем определения и сравнения плотности материала заготовки, подверженного горячему вальцеванию на ковочных вальцах, в момент времени до вальцевания и после него. Представлен анализ результатов проведенного исследования, который показал существенное увеличение прочности материала в связи с повышением его плотности. Результаты работы свидетельствуют о необходимости внедрения указанной технологии в серийное производство лопаток газотурбинных двигателей. Исследование проводилось в условиях производства ФГУП «НПЦгазотурбостроения «Салют», на котором в настоящее время активно внедряется горячая вальцовка заготовок лопаток газотурбинных двигателей.

Ключевые слова: вальцовка, прокатка, лопатка, компрессор высокого давления.

Investigation of material density after rolling

L.S. Kokhan, V.I. Punin, G.B. Rempel'

Vital parts of aircraft engines must comply with strict requirements concerning their ultimate strength and, especially, strength distribution over cross-sections. Furthermore, in the context of growing competition with the European Union and the United States, continuous improvement of manufacturing techniques for these parts is required in order to improve the strength properties and reduce the cost of their production. In this case, it is very important to study the change of material density under different deformation conditions. A hot rolling technology for the workpiece of a high-pressure compressor blade is developed. It enables high strength of the part and increases metal utilization. The strength of the workpiece is investigated by identifying and comparing the material density of the workpiece exposed to hot forge-rolling on forging rolls before and after rolling. The results of the study are analyzed. It is shown that the strength of the material significantly increases with increased density. The results indicate the need of im-

plementing this technology in the production of gas turbine engine blades. This study was conducted in FSUE Gas Turbine SPC «Salut», which is currently introducing the hot forge-rolling of gas turbine engine blades.

Keywords: forge-rolling, rolling, blade, high-pressure compressor.

ИТз всей номенклатуры заготовок, применяемых в авиационной отрасли, свыше 40% составляют детали удлиненной формы с резкой разницей площадей поперечных сечений вдоль оси — лопатки, закрылки, стойки и др. Перспективным способом получения такого типа заготовок является процесс вальцовки на ковочных вальцах.

Для получения штамповки детали типа «лопатка направляющая компрессора высокого давления» (КВД) предлагается следующий технологический маршрут: прокатка из титанового сплава ВТ6 прутка необходимого диаметра, отрезка заготовки, электровысадка заготовки под цапфу, горячая вальцовка заготовки и последующая изотермическая штамповка.

Исходя из высокой степени деформации заготовки, необходимо установить, будет ли деталь, полученная методом горячего вальцевания, необходимо и достаточно прочной для работы в условиях повышенных температур и давления.

Для вальцовки с калибровкой по схеме «круг-овал», показанной на рис. 1, было установлено, что проверка правильности технологического режима операции проводится по двум вариантам: по сплошности материала детали и по величине плотности материала.

В первом варианте используем методику В.Л. Колмогорова [1], при которой определялась степень деформации сдвига X и ее отношение к допустимой степени деформации при разрушении Хр. Подробно применение этой методики к подобному варианту калибровки рассмотрено в статьях [2, 3]. Используемый запас пластичности

X 1732 ¥ = = - V" = 0,237 < M = 0,25,

X

7

следовательно, процесс устоичив.

Во втором варианте проверку проводим по достигаемой плотности материала изделия. Данный параметр определялся эксперимен-

24 мм — \ / />ч__ N \

I 1 \ — S s X

\ 1 -— <N

\ х ' / - ч- " 32 мм

те. 1. Схема вальцовки с калибровкой «круг-овал»

тально и ему в настоящей статье уделено наибольшее внимание.

Исследование проводилось в условиях производства на предприятии ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют», на котором в настоящее время активно внедряется горячая вальцовка заготовок лопаток газотурбинных двигателей.

Для того чтобы выяснить как изменяется плотность материала по сечению заготовки при вальцовке был проведен следующий эксперимент. Вальцовка производилась на ковочных вальцах СА1335 (рис. 2) в одном секторном штампе. Были прокатаны 18 заготовок из титанового сплава ВТ6 диаметром 24 мм различной длины и 33 заготовки из стали Ст. 45 различных сечений и длин. Заготовки из титанового сплава прокатывались при температуре 970 °С, стальные заготовки — при 1 100 °С. Биение валков, а также их возможный прогиб при вальцовке контролировалось при помощи двух индикаторов часового типа ИЧ-25 с точностью измерений 0,005 мм, наконечники которых касались колец, установленных на верхний и нижний валки. Схема расположения индикаторных часов представлена на рис. 3.

В результате эксперимента были зафиксированы показания индикаторов при различных режимах вращения валков без вальцевания заготовки, при вальцевании и вновь без вальцевания заготовки. Первые и последние показания индикаторов совпали, показания при вальцовке отличаются от двух других, что свидетельствует о расхождении валков при вальцовке. Результаты всех измерений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений индикаторных часов на холостом ходу

Индикатор, мкм Показание, мкм Среднее время

Верхний 83 76 76 66 61 66 68 65 72 68 70,1

Нижний -30 -31 -31 -31 -31 -32 -33 -32 -32 -32 -31,5

Заготовки титановый сплав

Верхний 75 85 60 76 68 65 68 85 74 — —

75 80 78 75 75 65 85 80 75 — 74,7

Нижний -22 -20 -18 -16 -20 -18 -17 -15 -18 — —

-22 -20 -22 -19 -18 -20 -20 -16 -18 — -19

Заготовки сталь — круг

Верхний 65 62 70 75 82 75 70 65 57 60 68,1

Нижний -20 -18 -18 -20 -20 -16 -18 -20 -20 -16 -18,6

Заготовки сталь — квадрат

Верхний 80 85 75 70 77 81 90 80 80 — 79,8

Нижний -17 -15 -15 -18 -20 -20 -18 -18 -22 — -18

Заготовки сталь — повернутый квадрат

Верхний 65 70 50 63 — — — — — — 62

Нижний -17 -20 -18 -18 — — — — — — -18

Заготовки сталь — прямоугольник

Верхний 50 55 55 60 55 70 70 50 52 52 56,9

Нижний -20 -16 -22 -18 -21 -18 -18 -16 -15 -15 -17,9

Рис. 2. Ковочные вальцы СА1335

Из партии заготовок под вальцовку были отобраны две заготовки из стали и титанового сплава, которые были разрезаны на сечения и кубики с одинаковыми размерами (рис. 4). Была измерена их плотность, а также сделаны шлифы для фотографирования микроструктуры и проверен химический состав материалов. После вальцовки были отобраны образцы, с которыми были проведены те же операции.

Рис. 3. Схема расположения индикаторных часов на ковочных вальцах:

1 — валки; 2 — индикаторные часы

Резка образцов производилась на электроэрозионном проволочно-вырезном станке 80Б1СК Л0535Ь с точность 5 мкм.

Масса образцов измерялась на электронных весах 8айог1ш ЛОБР221 с точностью до 0,001 г, а объем — по типовой методике установленным на весах набором для измерения плотно-

Рис. 4. Схема резки кубиков для измерения плотности материалов

сти 8аг1опш УБК 01, точностью 0,001 см3. Плотность образцов рассчитана по формуле

р = m / V,

где m — масса образца, г; V — объем образца, см3.

Сравнение результатов измерений массы, объема и плотности заготовок приведено в табл. 2.

По полученным значениям построены графические зависимости плотности от местоположения образца в заготовке (рис. 5, 6).

Как показывают многочисленные исследования, плотность значительно влияет на прочностные свойства изделий [4—6]. Так, по данным А.М. Лаптева [4], сопротивление пластической деформации

Ст т Ст Теор р ,

где п — коэффициент плотности, для Ст. 45 п = = 3, для титанового сплава ВТ6 п = 3,3; р — относительная плотность,

Таблица 2

Результаты измерений массы, объема и плотности заготовок

До вальцовки Ст. 45 по сечению m = 16,2 г, V = 2,06 см3, р = 7,84 г/см3

Номер измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 9

m, г 1,77 1,77 1,78 1,77 1,76 1,78 1,79 1,78 1,77

V, см3 0,25 0,26 0,25 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,25

Y, г/см3 7,1 6,81 6,98 6,85 6,79 6,85 6,89 6,78 7,07

После вальцовки Ст. 45 по сечению m = 7,805 г, V = 0,998 см3, р = 7,82 г/см3

Номер измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

m, г 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,27 0,28 0,28 0,28 0,28 0,29 0,28 0,279

V, см3 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,037

Y, г/см3 7,6 7,59 7,55 7,62 7,51 7,64 7,64 7,53 7,53 7,65 7,47 7,7 7,587

До вальцовки ВТ6 по сечению m = 9,72 г, V = 2,22 см3, р = 4,38 г/см3

Номер измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 9

m, г 0,7 0,69 0,69 0,7 0,7 0,7 0,7 0,71 0,71

V, см3 0,17 0,16 0,16 0,17 0,16 0,17 0,17 0,17 0,17

Y, г/см3 4,19 4,2 4,2 4,21 4,25 4,19 4,19 4,18 4,18

После вальцовки ВТ6 по сечению m = 3,66 г, V = 0,82 см3, р = 4,44 г/см3

Номер измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

m, г 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16

V, см3 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

Y, г/см3 4,4 4,37 4,4 4,4 4,38 4,4 4,35 4,39 4,36 4,37 4,37 4,37 4,4

Данные после первой штамповки ВТ6 Данные после второй штамповки ВТ6

Номер измерения 1 2 3 1 2 3

m, г 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16

V, см3 0,04 0,03 0,04 0,04 0,04 0,04

Y, г/см3 4,39 4,51 4,43 4,47 4,34 4,41

Рис. 5. Зависимость расчетной плотности образца от его положения для Ст. 45

Рис. 6. Зависимость расчетной плотности образца от его положения для титанового сплава после изотермической штамповки

Р = У эксп / У теор •

Здесь уэксп — абсолютная плотность материала, полученная в результате эксперимента; у теор — справочное значение абсолютной плотности материала.

Результаты вычислений сопротивлений пластической деформации для Ст. 45 и титанового сплава ВТ6 представлены в табл. 3.

Плотность материала после изотермической штамповки показана на рис. 6. Значение плотности меняется от 4,39 до 4,51 г/см3 или 4,51- 4,39

А —

4,51

100% = 2,4%,

т. е. наблюдается небольшой положительный эффект. Однако в случае выполнения операции изотермической штамповки из круглого прутка степень деформации будет значительно выше, чем при штамповке заготовки овального сечения. Отсюда следует снижение прочностных свойств детали по сравнению с предложенным вариантом, а также уменьшение стойкости штамповой оснастки.

Следует отметить высокое значение коэффициента обжатия, равное 0,5. Допустимое значение коэффициента обжатия рассчитывается для каждого профиля отдельно, однако известно, что он редко превышает значение 0,5.

Таблица 3

Результаты измерений массы, объема и плотности заготовок

Материал Свойство

г/см3 г/см3 теор' МПа п Р МПа

Ст. 45 до вальцовки 7,826 6,901 245 3 0,818 134,1

Ст. 45 после вальцовки 7,826 7,59 245 3 0,97 223,6

Сплав ВТ6 до вальцовки 4,43 4,2 1044 3,3 0,948 875,3

Сплав ВТ6 после вальцовки 4,43 4,38 1044 3,3 0,989 1006,6

Сплав ВТ6 после штамповки 4,43 4,409 1044 3,3 0,995 1026,9

По данным отечественных и зарубежных исследований, описанных в статьях [5, 7, 8], при коэффициенте обжатия более 0,57 на поверхности вальцованных титановых заготовок наблюдаются неглубокие трещины, обусловленные быстрым остыванием твердого альфированного слоя, т. е. газонасыщенного слоя, образующегося у титановых сплавов при нагревании до высоких температур. Трещины удаляются зачисткой. Таким образом, высокий коэффициент вытяжки в предложенной операции допустим.

Анализ представленных на рис. 5 и 6 зависимостей показывает, что предлагаемая технология значительно способствует повышению плотности материала и равномерности плотности материала. Так, для Ст. 45

Ар — 7,597-р-100% — 9,1%;

для титанового сплава ВТ6 4,38 - 4,2

Ар —

4,38

100% — 4,1%.

Очевидно, что плотность стали при рекомендуемом процессе обработки повышается значительнее, чем плотность титанового сплава.

Кроме того, эксперименты доказывают, что стабильность распределения плотности также повышается. Так, для прокатанного прутка Ст. 45 разница плотности

Ар— 7,1 ^,78 -100% — 4,5%, после последующей вальцовки

7 7 - 747 Лр = ^-7—100% = 2,99%.

7,7

Аналогично для прокатанного прутка титанового сплава ВТ6

4 25 - 418 ЛР 4 25 '1°°% = 1,6%,

после последующей вальцовки

44 - 435 Лр= 4,4 „ 44,35  100% = 1,1%.

4,4

Несмотря на весьма небольшие отличия в плотности до и после вальцовки, следует отметить, что исследование проводится для внедрения технологии горячего вальцевания в авиационное производство, где подобными разностями пренебрегать нельзя.

Анализ данных, приведенных в табл. 3, свидетельствует о сильной зависимости прочности материала от его плотности. Прочность Ст. 45 при предложенной обработке повышается на 40%, прочность титанового сплава ВТ6 — на 13%.

Опытно-производственные испытания, проведенные на кафедре «Обработка металлов давлением» в университете машиностроения и на промышленном предприятии ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют», подтвердили существенное повышение стабильности эксплуатационных свойств изделия.

Литература

[1] Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Москва, Металлургия, 1986. 688 с.

[2] Кохан Л.С., Ремпель Г.Б. Оптимизация процесса калибровки при вальцовке. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2013, № 4, с. 43—47.

[3] Кохан Л.С., Пунин В.И., Ремпель Г.Б. Вальцовка профилей с параболическим сечением. Заготовительные производства в машиностроении, 2013, № 3, с. 29—34.

[4] Лаптев А.М., Подлесный С.В., Малюсский В.Л. Расчет давлений при изостатическом прессовании порошков.

Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1987, № 1, с. 88—90.

[5] Кохан Л.С., Коростелев А.Б., Роберов И.Г, Мочалов Н.А Обработка давлением металлических материалов. Москва, МГВМИ, 2009. 520 с.

[6] Целиков А.И., Томленов А.Д., Зюзин В.И. Теория прокатки. Москва, Металлургия, 1982. 335 с.

[7] Музычук В.И., Шкрылев Р.В., Печенюк В.В. Исследование пластичности титановых сплавов при деформировании заготовок в калибрах различных систем. Вибрации в технике и технологиях, 2010, № 1 (57), с. 104—108.

[8] Hakan Karacaovali. Analysis of roll-forming process, Graduate School of Natural and Applied Sciences, september, 2005. 250 с.

References

[1] Kolmogorov V.L. Mekhanika obrabotki metallov davleniem [Mechanics of metal forming]. Moscow, Metallurgiia publ., 1986. 688 p.

[2] Kokhan L.S., Rempel' G.B. Optimizatsiia protsessa kalibrovki pri val'tsovke [Optimization of calibration process when forge-rolling]. Stroitel'naia mekhanika inzhenernykh konstruktsii i sooruzhenii [Structural Mechanics of Enginiring Constructions and Buildings]. 2013, no. 4, pp. 43—47.

[3] Kokhan L.S., PuninV.I., Rempel' G.B. Val'tsovka profilei s parabolicheskim secheniem [Forge-rolling of profiles in parabolic caliber]. Zagotovitel'nyeproizvodstva v mashinostroenii [Procurement of production in engineering]. 2013, no. 3, pp. 29—34.

[4] Laptev A.M., Podlesnyi S.V., Maliusskii V.L. Raschet davlenii pri izostaticheskom pressovanii poroshkov [The calculation of the pressure in the isostatic pressing of powders]. Izvestiia Vysshikh uchebnykh zavedenii. Chernaia metallurgiia [Steel in Translation]. 1987, no. 1, pp. 88-90.

[5] Kokhan L.S., Korostelev A.B., Roberov I.G., Mochalov N.A Obrabotka davleniem metallicheskikh materialov [Forming metal materials]. Moscow, Moscow state night iron and steel institute publ., 2009. 520 p.

[6] Tselikov A.I., Tomlenov A.D., Ziuzin V.I. Teoriiaprokatki [The theory of rolling]. Moscow, Metallurgiia publ., 1982. 335 p.

[7] Muzychuk V.I., Shkrylev R.V., Pecheniuk V.V. Issledovanie plastichnosti titanovykh splavov pri deformirovanii zagotovok v kalibrakh razlichnykh system [The study of plasticity during deformation of titanium alloy billets in various calibers systems]. Vibratsii v tekhnike i tekhnologiiakh [Vibration in engineering and technology]. 2010, no. 1(57), pp. 104-108.

[8] Hakan Karacaovali. Analysis of roll-forming process. Graduate School ofNatural and Applied Sciences, september, 2005. 250 p.

Статья поступила в редакцию 23.10.2013

Информация об авторах

КОХАН Лев Соломонович (Москва) — доктор технических наук, профессор кафедры «Обработка металлов давлением». Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) (107023, Москва, Российская Федерация, ул. Б. Семёновская, д. 38).

ПУНИН Владимир Иванович (Москва) — кандидат технических наук, кафедра «Оборудование и технологии прокатки». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: vipunin@mail.ru).

РЕМПЕЛЬ Георгий Борисович (Москва) — аспирант, кафедра «Обработка металлов давлением» (МАМИ), ведущий инженер ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (105118, Москва, Российская Федерация, пр. Буденного, д. 16).

Information about the authors

KOKHAN Lev Solomonovich (Moscow) — Dr. Sc. (Eng.), Professor of «Metal Forming» Department. Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI) (MAMI, B. Semenovskaya str., 38, 107023, Moscow, Russian Federation).

PUNIN Vladimir Ivanovich (Moscow) — Cand. Sc. (Eng.), Associate Professor, «Rolling Equipment and Technologies» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation, e-mail: vipunin@mail.ru).

REMPEL' Georgiy Borisovich (Moscow) — Post-Graduate, «Metal Forming» Department (MAMI), Leading Engineer of FSUE Gas Turbine SPC «Salut» (Budennogo ave., 16, 105118, Moscow, Russian Federation).