Штамп для изготовления штамповок лопаток на гидравлическом прессе

Полезная модель относится к обработке материалов давлением и может найти применение при изотермической штамповке авиационных лопаток компрессора из титановых сплавов с припуском под дальнейшую механическую обработку в изотермических условиях на гидравлическом прессе.
Известна конструкция устройства для изотермической штамповки, содержащее верхний и нижний штампы с соответственно с верхней и нижней гравюрами для формирования геометрии лопаток, и направляющие колонки, соединяющие верхний и нижний штампы (Б.Н. Леонов, А.С. Новиков и др. Технологическое обеспечение проектирования и производства ГТД, Рыбинск 2000, 407 с., стр. 159, рис. 9.4).
Недостатком данной конструкции является высокая стоимость конструкции устройства для каждого типоразмера лопатки, а так же высокая степень изнашивания верхней и нижней гравюр для формирования геометрии лопаток.
Известен штамп для прецизионной ковки лопаток авиационных двигателей, содержащий верхнюю опорную пластину штампа, верхнюю фиксирующую пластину штампа, формующий пуансон, формующий вогнутый штамп, нижнюю фиксирующую пластину штампа и нижнюю опорную пластину штампа, при этом верхний конец верхняя фиксирующая пластина штампа соединена с верхним штампом (патент Китая CN 209363535 от 30.12.2018, опубл. 10.09.2019, МПК B21J 13/02).
Недостатком данных конструкций штампа является низкая работоспособность, связанная с изнашиванием гравюр верхнего и нижнего штампов и потеря стойкости всей конструкции в результате воздействия высоких температур, низкая точность позиционирования вогнутого и выпуклого штампов друг относительно друга, которая может привести к искривлению геометрии штамповки лопатки.
Известен штамп для горячей штамповки с повторяющим форму водяным каналом и способ его аддитивного изготовления с электродуговым плавким предохранителем. Составляют трехмерную модель штампа, разделяя ее на области, при этом штамп формируется за счет аддитивного производства относительно зонирования, при этом принимается режим заполнения с равноудаленным смещением, и эквидистантный характеристический режим сканирования зонирования (CN 114178551 A, опубл. 15.03.2022, МПК B21J 13/02).
Недостатком такого штампа является высокая технологичность и себестоимость изготовления штампа предложенным методом, связанная с использованием специализированных дорогостоящих электродов, высокой трудоёмкости процесса послойного формирования ковочного штампа. Так же необходимо отметить, что изготовление штампа методом послойного изготовления с электродуговым плавким предохранителем сопряжён с включениями вспомогательных материалов сварки (флюсы) и образования зон непроварки (полости, рыхлоты), которые крайне негативно оказывать влияние на прочностных характеристики ковочного штампа и качества поверхности штампуемых заготовок. Так же необходимо отметить, что предлагаемая конструкция штампа с водяными каналами не удовлетворяет требованиям к ковочной оснастке для изотермической штамповки, где ковочная оснастка нагревается до ковочной температуры (для штамповки титановых сплавов до 900÷960°С).
Наиболее близким является штамп для изготовления штамповок лопаток на гидравлическом прессе, содержащий верхнее основание штампа, нижнее основание штампа, в верхнем основании выполнена глухая полость, в которую вмонтирована верхняя вставка с гравюрой корыта лопатки, в нижнем основании выполнена глухая полость, в которую вмонтирована нижняя вставка с гравюрой спинки, при этом в верхнем и нижнем основании выполнены сквозные соосные отверстия, в которые установлены направляющие колонки (Патент Китая CN 104493040 от 23.12.2014 МПК B21J 13/02, B21K 3/04, опубл. 08.04.2015).
Недостатками данной конструкции штампа является наличие в конструкции штампа фрикционных узлов для управления продольным и поперечным фрикционными элементами, которые при воздействии высоких температур (изотермических условий) могут потерять свою работоспособность, а так же сложность монтажа и демонтажа вставок при смене номенклатуры лопаток, что увеличивает время переналадки штампа на другой типоразмер лопатки, из-за того, что возникает необходимость первоначально демонтировать вышеупомянутые фрикционные узлы.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение работоспособности штампа для изготовления штамповок лопаток благодаря повышению устойчивости позиционирования верхней и нижней вставок друг относительно друга и благодаря повышению износостойкости конструкции штампа в целом.
Технический результат достигается тем, что в штампе для изготовления штамповок лопаток на гидравлическом прессе, содержащем верхнее основание штампа, нижнее основание штампа, в верхнем основании выполнена глухая полость, в которую вмонтирована верхняя вставка с гравюрой со стороны корыта лопатки, в нижнем основании выполнена глухая полость, в которую вмонтирована нижняя вставка с гравюрой со стороны спинки лопатки, при этом в верхнем и нижнем основании выполнены сквозные соосные отверстия, в которые установлены направляющие колонки, в отличие от известного верхняя и нижняя вставки, выполненные из жаропрочного сплава методом электронно-лучевого сплавления, смонтированы в соответствующие верхнее и нижнее основание с помощью крепежных элементов, а направляющие колонки установлены в четырех угловых зонах по периметру каждого вышеупомянутого основания.
Повышение работоспособности штампа для изготовления штамповок лопаток газотурбинных двигателей достигается за счет наличия в штампе крепежных элементов, соединяющих основания и вставки между собой в глухих полостях и направляющих колонок, установленных в четырех угловых зонах по периметру, с целью устойчивости позиционирования верхней и нижней вставок друг относительно друга при работе штампа в изотермических условиях, за счет устранения смещения гравюр друг относительно друга.
Так же повышение работоспособности штампа достигается выполнением верхней и нижней вставок из жаропрочного сплава методом электронно-лучевого сплавления, что позволит повысить износостойкость конструкции штампа при работе в изотермических условиях.
На фигуре показан разрез штампа для изготовления штамповок лопаток газотурбинного двигателя.
Штамп для изготовления штамповок лопаток газотурбинного двигателя состоит из верхнего основания 1 и нижнего основания 2. В верхнем 1 и в нижнем 2 основаниях имеются сквозные соосные отверстия 3, 4 для установки направляющих колонок 5. Верхнее 1 и нижнее 2 основание имеют глухие полости 6, 7, в которые устанавливаются соответственно верхняя 8 и нижняя 9 вставки с гравюрами корыта и спинки штамповки лопатки. Верхняя 8 и нижняя 9 вставки с гравюрами установлены соосно друг относительно друга. При этом верхняя вставка 8 содержит гравюру корыта 10 профиля пера штамповки лопатки, нижняя вставка 9 содержит гравюру спинки 11 профиля пера штамповки лопатки. Верхняя вставка 8 крепится к верхнему основанию 1 в глухом отверстии 6 с помощью крепежных элементов 12. Нижняя вставка 9 закреплена в нижнем основании 2 с помощью крепежных элементов 13.
При этом каждая из верхней 8 и нижней 9 вставок выполнены из жаропрочного сплава, например марок ЖС6У, ЖС26 и др., и изготавливается методом электронно-лучевого сплавления. Такое выполнение вставок 8, 9 позволяет повысить устойчивость и износостойкость при работе штампа в изотермических условиях, исключив потерю стойкости штампа в целом, а так же снизить металлоёмкость изготовления и потерю времени при ремонте штампа посредством использования и оперативной замены жаропрочных вставок.
Сборка штампов осуществляется следующим образом.
Верхняя 8 и нижняя 9 вставки устанавливаются соответственно в глухие полости верхнего 1 и нижнего 2 оснований и крепятся винтами 12. Далее штамп в сборе устанавливается и крепится в верхнем и нижнем штамподержателях гидравлического пресса (не показаны). Разборка штампа осуществляется в обратном порядке, при этом в верхнем 1 и нижнем 2 основаниях предусмотрены центральные отверстия для снятия вставок 8, 9 в случае их залипания при попадании и застывания стеклоэмали.
Штамп работает следующим образом, верхнее основание 1 с установленной верхней вставкой 8 закреплены к верхнему штамподержателю и траверсе пресса (не показаны) находящиеся в верхнем исходном положении позволяющим выполнить укладку исходной заготовки на нижнюю вставку 9. Нижнее основание 2 с установленной нижней вставкой 9 закреплены на нижнем штамподержателе и столу пресса. После укладки заготовки в гравюре спинки 11 нижней вставки 9 нижнего основания 2 выполняется рабочий ход пресса до смыкания верхнего 1 и нижнего 2 оснований по зеркалу штампа, при этом верхнее основание центрируется посредством направляющих колонок 5 верхнего основания 1 с отверстиями 4 в нижнем основании 2. Направляющие колонки 5 центрируют верхнее 1 и нижнее 2 основания со вставками 8 и 9, исключая взаимное смещение гравюр штамповки лопатки друг относительно друга. Штамп работает в изотермических условиях, с нагревом до ковочной температуры от 850°С до 970°С.
После выполнения рабочего хода и выдержки под давлением (по необходимости) исходной заготовки выполняется обратный ход верхнего основания 1 в верхнее исходное положение и съём штамповки лопатки из гравюры нижней вставки 9.
Представленная конструкция штампа позволяет выполнять быструю смену вставок, при их износе или изменении номенклатуры изготавливаемых штамповок лопаток, не охлаждая всего штампа в сборе, тем самым сокращается время на охлаждение и последующий нагрев штампа в сборе. Снижается отрицательное влияние термоциклических напряжений в верхнем 1 и нижнем 2 оснований штампа, соответственно увеличивается их ресурс работы.
Благодаря тому, что в штампе для изготовления штамповок лопаток на гидравлическом прессе, содержащем верхнее основание штампа, нижнее основание штампа, в верхнем основании выполнена глухая полость, в которую вмонтирована верхняя вставка с гравюрой со стороны корыта лопатки, в нижнем основании выполнена глухая полость, в которую вмонтирована нижняя вставка с гравюрой со стороны спинки лопатки, при этом в верхнем и нижнем основании выполнены сквозные соосные отверстия, в которые установлены направляющие колонки, в отличие от известного верхняя и нижняя вставки, выполненные из жаропрочного сплава методом электронно-лучевого сплавления, смонтированы в соответствующие верхнее и нижнее основание с помощью крепежных элементов, а направляющие колонки установлены в четырех угловых зонах по периметру каждого вышеупомянутого основания, достигается увеличение работоспособности штампа для изготовления лопаток.