МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» На правах рукописи Рассудов Никита Владимирович РАЗРАБОТКА МЕТОДА ШТАМПОВКИ ЗАГОТОВКИ ТИТАНОВЫХ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ИХ СТРУКТУРНУЮ ОДНОРОДНОСТЬ Специальность: 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Кожина Татьяна Дмитриевна Рыбинск – 2020 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 4 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ ............................................................................... 9 1.1 Состояние лопаточного производства при изготовлении турбовентиляторных двигателей ...................................................................................................................... 12 1.2 Металлография дефектов ....................................................................................... 21 1.3 Описание структурной неоднородности при штамповке на кривошипных и электровинтовых прессах ............................................................................................. 23 1.4 Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования ................................................ 28 ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЗАГОТОВОК ЛОПАТОК ГТД С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ....................................................... 30 2.1 Анализ дефектов при производстве лопаток в кузнечно-штамповочном переделе .......................................................................................................................... 30 2.2 Модель формирования зоны контакта в процессе штамповки лопатки ГТД, учитывающая условия возникновения структурной неоднородности ................... 35 2.3 Основные требования к проведению экспериментальных исследований, позволяющих оценить степень предрасположенности к возникновению дефектов в штамповке лопаток компрессора ГТД ..................................................................... 42 2.4 Выводы по главе 2 ................................................................................................... 45 ГЛАВА 3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД .............................................................................. 46 3.1 Моделирование технологического процесса штамповки ................................... 46 3.2 Анализ результатов процесса моделирования и построение графических зависимостей .................................................................................................................. 60 3.3 Математическое моделирование деформационного и температурного состояния заготовки, формирующее структуру профиля ......................................... 73 3.4 Выводы по главе 3 ................................................................................................... 82 3 ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ....................................... 84 4.1 Анализ структуры титановых образцов по различным схемам штамповки ..... 84 4.2 Планирование эксперимента ................................................................................ 104 4.3 Экспериментальная проверка математической модели получения требуемой структуры материала при штамповке титановых сплавов на электровинтовом прессе ............................................................................................................................ 114 4.4 Экспериментальные исследования фасонирования заготовок для титановых лопаток выдавливанием на двухкоординатном гидравлическом прессе .............. 122 4.5 Выводы по главе 4 ................................................................................................. 128 ГЛАВА 5 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ..................................... 129 5.1 Разработка методики оптимизации ..................................................................... 129 5.2 Программное обеспечение моделирования процесса штамповки ................... 133 5. 3 Практические рекомендации по использованию разработок в производстве137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 144 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 147 ПРИЛОЖЕНИЕ А. ...................................................................................................... 154 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ........................................................................................................ 157 ПРИЛОЖЕНИЕ В……………………………………………………………………158 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Одной из важнейших задач совершенствования авиационных двигателей является повышение их надежности и ресурса. Надежность газотурбинных двигателей (далее ГТД) в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, поскольку они являются наиболее нагруженными деталями. Исходя из требований к эффективности, экономичности и надежности современных летательных аппаратов, связанных с уменьшением материалоемкости, увеличением удельной прочности и жесткости конструкции наиболее перспективными являются титановые сплавы, такие как ВТ3, ВТ3-1, ВТ6, TA6V и подобные им марки титанов. Лопатки из этих материалов подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок. Технологический процесс изготовления лопаток должен обеспечивать их высокое качество, надежность и заданный ресурс. Вместе с тем при выборе способа обработки массовых деталей, таких как лопатки ГТД, необходимо учитывать и экономическую эффективность. Заготовительные технологические процессы производства лопаток ГТД должны обеспечивать их требуемые геометрические параметры, внутреннюю структуру и физико-механические свойства, предотвращение появления потенциальных очагов разрушений. Изготовление рациональных заготовок компрессорных лопаток с минимальной материалоемкостью, наименьшей себестоимостью и снижением трудоемкости и объема ручных работ при последующей механической обработке является одной из главных задач, исходя из этого с учетом экономической целесообразности, компрессорные лопатки изготавливают штамповкой с последующей механической обработкой или ЭХО. В настоящее время в производстве заготовок лопаток компрессора штамповку лопаток можно разделить на две основные группы: штамповка стальных и 5 титановых лопаток на кривошипных и электровинтовых прессах и изотермическая штамповка лопаток из титановых сплавов. При внедрении данных способов в производство можно найти как преимущества одно способа над другим, так и их недостатки, но в целом эти способы взаимно дополняют друг друга. Основные виды дефектов при штамповке на кривошипных и винтовых прессах показаны на рисунке 1.1. а б в г Рисунок 1.1– Основные виды дефектов при штамповке: заков (а), надиры и заков (б), повышенные точечные дефекты (в), завышенная шероховатость (г) Данные дефекты видны невооруженным глазом, и такие заготовки либо бракуются сразу, либо при проведении зачистки до минимально возможного припуска пропускаются на окончательную обработку. Однако при штамповке титановых лопаток встречаются и дефекты структурной неоднородности, выявить которые помогает дефектоскопическое травление. 6 Появление подобных дефектов может быть вызвано рядом факторов как включения тугоплавких металлов (молибден, цирконий и т.п.), вносимых с шихтовыми материалами при изготовлении полуфабриката (прутка, полосы и т.п.), так и несоблюдение технологических параметров при штамповке лопаток. С целью снижения стоимости изготовления титановых лопаток было принято решение изготавливать их альтернативным изотермической штамповке способом – штамповке на электровинтовых прессах – это позволило бы существенно сократить, как стоимость, так и сроки подготовки производства. При внедрении горячей штамповки титановых лопаток компрессора на электровинтовых прессах на некоторых номерах лопаток в зависимости от конфигурации деталей при контроле структуры лопаток на операции дефектоскопического травления стали выявляться дефекты структурной неоднородности в виде белой полосы внутри профиля пера, что является недопустимым дефектом. Объектом исследования являются технологические процессы штамповки титановых лопаток компрессора Предметом исследований настоящей работы является интенсификация процесса штамповки титановых сплавов на механических и электровинтовых прессах, не приводящих к возникновению структурной неоднородности Цель работы: разработка метода штамповки лопаток компрессора ГТД, обеспечивающего их надежность за счет исключения структурной неоднородности Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: 1. Исследование механизма возникновения структурной неоднородности с целью создания оптимальных режимов штамповки, при которых неоднородность отсутствует. 2. Разработка математической модели штамповки титановых сплавов, учитывающей условия возникновения структурной неоднородности. 3. Разработка компьютерной модели штамповки титановых сплавов для выполнения расчетов деформационных процессов. 7 4. Сопоставление компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований на натурных образцах и лопатках с проведением сопутствующих металлургических исследований. 5. Разработка методики по заданию деформационных параметров, обеспечивающих качественное структурное формирование. 6. Разработка рекомендаций по формированию технологического процесса штамповки титановых лопаток на электровинтовых и механических прессах с дальнейшим внедрением в производство. Научная новизна работы заключается в том, что: 1. установлен механизм возникновения структурной неоднородности при штамповке титановых сплавов; 2. предложен метод интенсификации процесса штамповки титановых сплавов на механических и электровинтовых пресса, не приводящий к возникновению структурной неоднородности; 3. на основе компьютерного моделирования процесса штамповки авто- ром разработаны блок – схема и алгоритм проектирования, позволяющие формировать технологический процесс штамповки заготовок лопаток предопределяющих их структурную однородность и тем самым последовательно, технологическую пригодность. Практическая значимость работы состоит в том, что: 1. разработана методика по заданию параметров, обеспечивающих ка- чественное структурное формирование; 2. по разработанной методике деформирования титановых сплавов, по- лучены рекомендации по формированию технологического процесса штамповки заготовки лопатки с требуемыми механическими свойствами и качественной структурой заготовки. Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов. Соответствует п. 9 Теоретические основы и технологиче- 8 ские процессы изготовления деталей двигателей и агрегатов летательных аппаратов, включая технологическую подготовку производства, в том числе автоматизированные системы проектирования и управления, технологические процессы и специальное оборудование для формообразования и обработки деталей двигателей, их защита. Методы диссертационного исследования. Теоретические исследования проводились с использованием фундаментальных положений механики, теории обработки металлов давлением, теории пластической деформации, методов моделирования на ЭВМ. В работе использовались теоретические основы изготовления деталей газотурбинных двигателей. Экспериментальные исследования выполнены в производственных и лабораторных условиях на специальном оборудовании с использованием методов планирования эксперимента и системы автоматизированной фиксации экспериментальных данных. Достоверность научных выводов обеспечивается использованием современных методов обработки расчетных и экспериментальных данных: MathStat – 5, Statgraf и др. Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы на ПАО «ОДК - Сатурн» при разработке и оптимизации процесса пластической деформации титановых сплавов. Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на форуме «Моделирование процессов штамповки, прокатки, и прессования в QForm» (Москва, 2019), и на V, VI Международных технологических форумах «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2018, 2019). 9 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ Авиадвигателестроение – наукоемкая, высокотехнологичная и динамично развивающаяся отрасль, эффективная работа которой, имеет существенное значение для обороноспособности и социально-экономического развития государства. Мировое авиадвигателестроение – отрасль промышленности, в которой происходит постоянное повышение качества авиационных двигателей (надежности, ресурса, экологических характеристик, экономичности, эксплуатационной технологичности и доступности). Однако при этом увеличивается стоимость их создания и производства. Авиационный двигатель – «ключевое звено» любого летательного аппарата, в котором реализуются наиболее прогрессивные научные и конструктивнотехнологические решения, используемые в дальнейшем в других изделиях энергетического машиностроения. Газотурбинному авиационному двигателестроению около семидесяти лет. За эти годы авиационный двигатель превратился в уникальное изделие машиностроения, аналогов которому по уровню напряжений и тепловому состоянию практически нет [1, 2, 3]. Эти результаты в сравнении с результатами, достигнутыми общим машиностроением, характеризуются наивысшими уровнями следующих основных показателей: 1) термодинамического совершенства; 2) совершенства по уникальным показателям массы и объема; 3) рабочей температуры газа в турбинах; 4) газодинамического совершенства и нагруженности компрессоров и турбин; 5) объемной теплонапряженности и экологического совершенства камер сгорания; 6) эффективности охлаждения и теплозащиты горячих элементов конструкции; 7) принципиально новых металлических и неметаллических материалов; 10 8) эксплуатационной надежности и безопасности. Прогресс в авиадвигателестроении базируется на передовых достижениях технологии, материаловедения, химии, а также обеспечивается методологией организации всех стадий создания двигателей, научно-технологического задела, проектирования, производства и системы эксплуатации. По данным работ В. А. Скибина и В. И. Солонина [4] основные этапы развития авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) военной и гражданской авиации можно укрупнено характеризовать сменой поколений этих двигателей. Понятие «поколения АД» оказывается довольно устойчивым и характеризуется преимущественным назначением АД, типажом и конструктивными особенностями разрабатываемых АД, уровнем параметров цикла, конструктивными элементами узлов (компрессор, турбина, камера сгорания), а также применяемыми технологическими процессами изготовления. Временные границы могут быть ориентировочно распределены так: 1-е поколение – к 1940 – 1950-м годам, 2-е – к 1950-м годам, 3-е – к 1960 – 1970-м годам, 4-е – к 1970 – 1990-м годам, 5-е – к 1990 – 2000-м годам (рис 1.2). Пятое поколение ГТД, появившееся в конце 90-х годов, имеет температуру газа перед турбиной 1850 – 1950 К, минимальное число деталей и отношение тяги к массе для военных ТРДДФ 9…10 (рис 1.3), созданы высокосовершенные двухконтурные двигатели с большой степенью двухконтурности м = 8…10 и сверхбольшой степенью двухконтурности с редукторным приводом вентилятора PW8000, НК – 93. В конструкции широко используются высокопрочные сплавы, монокристаллические турбинные лопатки с системой охлаждения, облегченные (полые или углепластиковые) рабочие лопатки вентилятора, высоконапорные ступени компрессора типа «блиск», соединенные сваркой трением, корпуса и другие статорные детали из композиционных материалов на основе органической, металлической и интерметаллидной матрицы, а также другие наукоемкие конструктивные и технологические решения. 11 Рисунок 1.2 – Этапы развития авиационных двигателей Рисунок 1.3 – Изменение конструктивной схемы ТРДДФ. 12 1.1 Состояние лопаточного производства при изготовлении турбовентиляторных двигателей Основными элементами любого ГТД являются входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина и выходное сопло. Принцип работы ГТД заключается в следующем. В условиях полета набегающий воздушный поток поступает во входное устройство двигателя, где за счет скоростного напора повышается давление воздуха. Компрессор осуществляет последующее сжатие воздуха. Сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где происходит сгорание топлива. Из камеры сгорания газовый поток, обладающий высокой потенциальной энергией, попадает в турбину. Расширяясь в турбине, он производит работу, которая расходуется на привод компрессора и всех вспомогательных агрегатов, обслуживающих двигатель. Дальнейшее расширение газового потока происходит в выходном сопле. При этом скорость истечения газа на выходе из сопла становится больше скорости полета, что приводит к увеличению количества движения газового потока, проходящего через двигатель, и обусловливает возникновение реактивной силы. Лопатки являются основными высоконагруженными деталями ГТД. Они находятся в потоке воздуха (газа) и предназначены для изменения его параметров. Лопатки значительно различаются по габаритным размерам, конструктивным элементам пера и хвостовика. Такое разнообразие объясняется тем, что для различных летательных аппаратов (вертолетов, военных, транспортных и пассажирских самолетов) изготавливаются различные ГТД – малой, средней, большой мощности. Они значительно различаются геометрическими и термодинамическими параметрами, определяющими конструкцию лопаток. Основными конструктивными элементами лопаток являются перо, хвостовик, полки пера и хвостовика, антивибрационные и бандажные полки. Размерно-конструктивный диапазон лопаток по данным К.И. Зудина, Ю.С. Елисеева и В.В. Крымова [5] основной массы лопаток компрессора, изготавливаемых на предприятии отрасли, показан на рисунке 1.4. 13 Рисунок 1.4 – Лопатки компрессора Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестроении, что обусловливается рядом факторов, главными из которых являются: ˗ сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток; ˗ высокая точность изготовления; ˗ применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток; ˗ массовость производства лопаток; ˗ оснащенность технологического процесса производства лопаток дорогостоящим специализированным оборудованием; ˗ общая трудоемкость изготовления. Лопатки компрессора и турбины являются самыми массовыми деталями газотурбинных двигателей. Их число в одном моторокомплекте доходит до 3000, а трудоемкость изготовления составляет 25...35 % от общей трудоемкости двигателя. Перо лопатки имеет протяженную сложную пространственную форму. Длина рабочей части пера составляет от 30 – 800 мм с переменным профилем в поперечных сечениях вдоль оси. Эти сечения строго ориентированы относительно 14 базовой расчетной плоскости и профиля замковой части. В поперечных сечениях заданы расчетные значения точек, определяющих профиль спинки и корыта лопатки в координатной системе. Значения этих координат задаются табличным способом. Поперечные сечения повернуты относительно друг друга и создают закрутку пера лопатки. Точность профиля пера лопатки в координатной системе определяется допустимым отклонением от заданных номинальных значений каждой точки профиля пера. В примере это составляет 0,5 мм, угловая погрешность при этом по закрутке пера не должна превышать значения 20’. Толщина пера имеет малые значения, на входе и выходе воздушного потока в компрессор она для различных сечений изменяется от 1,45мм до 2,5мм. При этом допуск на толщину колеблется от 0,2 до 0,1мм. Высокие требования предъявляются также для формирования радиуса перехода на входе и выходе пера лопатки. Радиус при этом изменяется от 0,5мм до 0,8мм. Шероховатость профиля пера лопатки должна быть не ниже 0,32мкм. В средней части пера лопатки расположены опорные бандажные полки сложной профильной конструкции. Эти полки играют роль вспомогательных конструкторских поверхностей лопаток, и на их опорные поверхности наносятся твердосплавные покрытия карбида вольфрама и карбида титана. Средние бандажные полки, соединяясь между собой, создают единое опорное кольцо в первом колесе ротора компрессора. В нижней части лопатки расположена замковая полка, которая имеет сложную пространственную форму с изменяемыми параметрами сечений. Нижние полки лопаток создают замкнутый контур в колесе компрессора и обеспечивают плавность подачи воздуха в компрессор. Изменение зазора между этим полками выполняется в пределах 0,1…0,2мм. Верхняя часть пера лопатки имеет фасонную поверхность, образующая которой точно расположена относительно профиля замка и входной кромки пера лопатки. От точности выполнения этого профиля зависит зазор между вершинами лопаток и корпусом колеса статора компрессора. Рабочий профиль пера лопатки бандажных полок, и замка подвергается 15 упрочняющим методам обработки с целью создания на образующих поверхностях сжимающих напряжений. Высокие требования предъявляются также к состоянию поверхностей лопаток, на которых не допускаются трещины, прижоги и другие дефекты производства. Материал лопатки относится ко второй группе контроля, которая предусматривает тщательную проверку качества каждой лопатки. Для партии лопаток готовится также специальный образец, который подвергается лабораторному анализу. Требования, предъявляемые к качеству лопаток компрессора, весьма высокие. Способы получения исходных заготовок для таких деталей и использование традиционных и специальных методов при дальнейшей обработке определяют выходные качественные и экономические показатели производства. Исходные заготовки лопаток компрессора получают методом штамповки. При этом могут быть получены заготовки повышенной точности с малыми припусками на механическую обработку. Самыми массовыми и тяжелонагруженными деталями газотурбинных двигателей являются лопатки компрессора и турбины, поэтому надежность двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток, которые испытывают циклические термические напряжения и подвергаются воздействию статических и динамических нагрузок. Лопатки компрессора должны обеспечивать надежность, качество и требуемый ресурс. При возрастающих объемах производства двигателей особое внимание уделяется внедрению передовых прогрессивных технологических процессов изготовления титановых лопаток компрессора с обеспечением высокой экономической эффективности. Более подробно способы изготовления лопаток ГТД освещены в работах В. В. Крымова, Ю. С. Елисеева, К. И. Зудина [5], Г. К. Язова, Б. Е. Карасева, М. И. Евстигнеева, А. М. Сулимы, Н. Д. Проничева, И. Л. Шитарева и др. [6, 7, 8, 9] Основные технологические маршруты изготовления заготовок лопаток ро- 16 тора компрессора, могут быть сведены к нескольким наиболее известным и распространенным вариантам: 1) отрезка исходной мерной заготовки от прутка, переходы горячей вальцовки для оформления перовой части, переходы штамповки, обрезка облоя. 2) отрезка исходной мерной заготовки от прутка, наборные переходы высадки замковой части, переходы штамповки, обрезка облоя. 3) отрезка исходной мерной заготовки от прутка, наборные переходы высадки замковой части, переходы горячей вальцовки для оформления перовой части, переходы штамповки, обрезка облоя. 4) резка прутка (поперечное сечение – круг) на исходные мерные заготовки, осадка мерной заготовки по образующей, выдавливание заготовки под штамповку, переходы штамповки, обрезка облоя. Рассмотренные выше варианты являются основными, то есть широко используемыми маршрутами технологических процессов получения заготовок лопаток ротора компрессора ГТД, что, конечно же, не исключает возможность использования других вариантов. В машиностроении процессы штамповки, свойства и особенности титановых сплавов рассматривались в работах многих отечественных и зарубежных ученых: М. Я. Белкина А.Л. Еськова [10], Ю. П. Согришина, В.А. Тишакова [11], А. А. Петухова [12], М. В. Славина, М.З. Ермакова [13, 14], И.А. Павлова [15], В.К. Смирнова, [16], В. П. Зрюмова [17] А. С. Матвеева [18 – 27], В. Б. Мамаева, М. Л. Первова [28 – 34] J. Fix [35], F. Maturana [36] и других [37 – 46]. Рассматривая укрупнено технологический процесс изготовления титановых лопаток компрессора, можно разделить его на 3 составляющих: фасонирование, штамповку и механическую обработку. Фасонирование – при этом наиболее часто используется операция высадка на специализированных горизонтально – ковочных машинах (ГКМ). Стержень высаженной этим способом заготовки имеет постоянное поперечное сечение, площадь которого выбирается по площади максимального сечения пера заготовки лопатки из условия устойчивости заготовки при высадке хвостовой части. 17 Фасонирование заготовок под последующую штамповку лопаток является необходимым условием обеспечения высокого значения коэффициента использования металла и сокращения числа переходов при штамповке. Штамповка на винтовых и кривошипных прессах была и пока остается наиболее распространѐнным способом получения заготовок лопаток компрессора объемным деформированием. Припуск по перу на заготовках, полученных этим способом, находится в пределах 1,5…3 мм на сторону. Также применяется изотермическая штамповка, которая, заключается в том, что в заготовке, инструменте и окружающем их ограниченном пространстве создается и постоянно поддерживается температура, обеспечивающая оптимальную пластичность металла обрабатываемой заготовки. Деформирование осуществляется при малых скоростях, поэтому разупрочняющие процессы (возврат и рекристаллизация) успевают протекать в его ходе, что повышает технологическую пластичность металла и резко снижает сопротивление пластическому деформированию. Метод деформирования в изотермических условиях освоен на ряде предприятий отрасли. Он применяется при точной штамповке заготовок лопаток компрессора из титановых и других жаропрочных сплавов с припуском по перу 0,2…0,6 мм на сторону. Штамповка заготовок лопаток без припуска по перу одно из перспективных направлений в производстве для наиболее массовых лопаток с высотой пера до 120 мм. Наиболее производительным процессом, является горячая штамповка на электровинтовых прессах стальных и титановых лопаток компрессора. Современная номенклатура используемых на заводах объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК) лопаток компрессора для авиадвигателей, промышленных газовых турбин включает 10 основных типов, имеющих более 200 типоразмеров (от 10 до 650 мм), представленных в табл. 1.1. Используемый материал: алюминий, титан – часто используемые марки: ВТ3 -1, ВТ6, ВТ8М, ВТ20, TA6V и жаропрочные хромо-никелевые сплавы. 18 Таблица 1.1 – Типы лопаток ГТД № Наименование лопаток Диапазон высотных размеров, мм 1 Рабочие с «точеным» хвостовиком 25-150 2 Направляющие поворотные 30-600 3 Рабочие и направляющие с замком типа «ласточкин хвост» 20-450 п/п Фотография лопатки 19 Продолжение таблицы 1.1 № Наименование лопаток Диапазон высотных размеров, мм 4 Лопатки направляющего аппарата «беззамковые» 10-70 5 Рабочие с замком типа «проушина» 300-400 6 Лопатки статора двухполочные 35-400 п/п Фотография лопатки 20 Продолжение таблицы 1.1 № Наименование лопаток Диапазон высотных размеров, мм 7 Направляющего аппарата с «точеной» полкой 30-200 8 Направляющего аппарата с «вваривамой» полкой 40-150 9 Лопатки статора с полкой и цапфой 140-400 п/п Фотография лопатки 21 Окончание таблицы 1.1 Лопатки вентилятора широкохордные 10 400-650 1.2 Металлография дефектов В поковках, штамповках и других полуфабрикатах, а также в готовых деталях из титановых сплавов встречаются различного вида дефекты, недопустимые при использовании деталей в изделиях при их работе. Более подробно о различного рода дефектах сказано в работах Б.Н. Арзамасова, В.И. Макарова, Г.Г. Мухина, В. Э. Лейпи, Г. К. Катая [47 – 50]. Эти дефекты, не всегда обнаруживаются в слитках и нередко выявляются в процессе механической обработки полуфабрикатов, после травления, а также при контроле окончательно готовых деталей. Исследования дефектов, встречающихся в деталях их титановых сплавов, позволяют разделить их на три группы: дефекты металлургического, технологического и эксплуатационного происхождения. Дефекты металлургического происхождения могут быть сведены к четырем видам: 1) металлические включения; 2) неметаллические включения (окислы карбиды, нитриды); 3) включения в виде полос или слоев, отличающихся от основного материала различной травимостью и химическим составом (включения другого сплава); 4) химическая (ликвационная) неоднородность – участки, обедненные или обогащенные легирующими элементами или примесями. Описанные дефекты металлургического происхождения не всегда выявля- 22 ются существующими методами контроля качества слитков. Поэтому необходимо, с одной стороны, разрабатывать более совершенные методы контроля слитков, выявляющие подобные дефекты, а с другой, более тщательно подбирать, очищать и контролировать отходы, которые вводятся при выплавке слитков, с тем, чтобы избежать образования таких дефектов, а также отбраковывать окисленные куски, встречающиеся в качественной губке. Дефекты технологического происхождения в отличие от дефектов металлургического происхождения, которые образуются при выплавке слитков, возникают в процессе передела слитков, деформации полуфабрикатов, изготовления деталей. К таким дефектам относятся кусочки различных посторонних материалов на поверхности, случайно попавшие при деформации или обработке поверхности, деформационные трещины и поры (поверхностные и внутренние), окисленный слой на поверхности, структурная неоднородность, связанная с неравномерностью течения металла при деформации и др. В производстве титановых полуфабрикатов встречаются следующие дефекты технологического происхождения: Случайные включения кусочков других металлов на поверхности полуфабрикатов. Характеризуются четкой границей и отсутствием переходной зоны между дефектом и основным металлом. Поверхностные точечные включения абразива правильной округлой формы, они травлению не поддаются. Микротвердость таких включений порядка 33 000 МПа примерно соответствует твердости карбида кремния. Дефект подобного вида является следствием налипания зерен абразива в процессе шлифования лопаток. Внутренние трещины, выявляемые в процессе механической обработки штамповок или при контроле готовых деталей. Если на кромках трещин альфированный слой отсутствует, то это указывает на то, что они являются следствием деформации и раскрылись при механической обработке. Эти трещины могут быть связаны с нарушением технологического процесса при изготовлении данной детали. Альфированный слой на поверхности. При газонасыщении образуется слой, имеющий повышенную твердость. В этом слое возможно зарождение мик- 23 ротрещин, которые распространяются вглубь металла. Прижоги. Вследствии низкой теплопроводности и высокой химической активности титановых сплавов при нагреве, а также способности образовывать при этом с кислородом твердые растворы на основе α-структуры возможно образование прижогов в процессе механической обработки и особенно в процессе шлифования и полирования. Прижоги, образованные в процессе механической обработки, выявляются при визуальном осмотре после слабого травления в виде светлых пятен. Деформационные неоднородности Характер указанной неоднородности зависит от режима обработки давлением (температура нагрева заготовки, степень деформации, сила и частота ударов молота), а также от конфигурации детали. При исследовании макроструктуры наблюдаются полосы или участки с разным световым эффектом травимости, зоны затрудненной деформации «ковочные кресты», «прострелы» и т. д. Полосы или участки с отличной от основного металла травимостью образуются в связи с условиями деформации. Зоны затрудненной деформации сохраняют исходную структуру заготовки. «Ковочные кресты» или полосы в поперечном сечении детали после травления на макроструктуру выявляются в виде темных линий и являются следствием интенсивного локального течения металла. Они образуются, как правило, при высокой степени деформации за один нагрев при температурах значительно ниже температуры полиморфного превращения. Микроструктура темных полос и основного металла различная, что свидетельствует о том, что полоса представляет собой участок интенсивного течения материала с очень большой локальной степенью деформации и, как следствие, иногда с местным разогревом металла. 1.3 Описание структурной неоднородности при штамповке на кривошипных и электровинтовых прессах Формообразование штамповки (детали) сопровождается обычно пластической деформацией и тепловым воздействием на поверхностный слой. Пластическая деформация на глубине и на поверхности неоднородна и сопровождается структурными изменениями, вызванными как силовым, так и термическим воз- 24 действием на металл. Около 10% энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом, 98% поглощенной энергии идет на искажение кристаллической решетки. При изотермической штамповке титановых лопаток дефекта по белой полосе не возникает, так как линий течения практически не имеет. Характер распределения «полосчатости» по профилю пера лопаток в основном зависит от конфигурации детали и при сохранении внешних факторов остается постоянным. Внешний вид «полосчатости» на профиле пера лопатки со стороны спинки и корыта представлен на рис. 1.5, а вид линий интенсивного течения металла в поперечном направлении представлен на рисунке 1.6 Рисунок 1.5 – Внешний вид «полосчатости» на профиле пера лопатки со стороны спинки и корыта, материал ВТ3-1 Рисунок 1.6 – Вид линий интенсивного течения металла в поперечном направлении, материал ВТ3-1 В работах Ю.П. Согришина, В.А. Тишаковой, Л.Г. Гришина и Ю.А. Магай, 25 [11] главной причиной ярко выраженной интенсивности линий течения на профильных лопатках являются различные скорости течения металла поверхности и сердцевины, вызванные вышеперечисленными причинами и температурной разностью деформационных слоев профиля пера лопатки. Смазывающие покрытия ощутимо снижают усилия штамповки, поэтому правильный их подбор снижает коэффициент трения между деформируемым материалом и инструментом и надежно их разделяет. Макро и микроструктура пера лопаток проверялась в продольном и поперечном направлениях. Макроструктура пера лопатки из материала TA6V в продольном направлении вдоль оси OZ показана на рисунке 1.7. Рисунок 1.7 – Макроструктура пера лопатки из материала TA6V в продольном направлении вдоль оси OZ На микрошлифах лопаток ближе к поверхности выявлена более мелкозернистая структура (рис. 1.8), а в центральной зоне выявлено изменение структуры (сдвиг). По результатам контроля макроструктуры и микроструктуры в продольном и поперечном направлениях определяется допустимость изменения в структуре, вызванная штамповкой. Низкая технологическая пластичность титановых сплавов и неравномерное распределение деформаций по объему заготовки является одной из причин «разнозернистости». Выявленные изменения в макроструктуре в виде белой полосы различаются 26 по интенсивности линий, но браковочным признаком несоответствия такой структуры не являются. а) б) Рисунок 1.8 – Шлифы по проверке микроструктуры пера лопатки (увеличение 200): а) продольное направление; б) поперечное Для оценки годности структуры необходима проверка еѐ в этих областях по микроструктуре, которая сравнивается с допустимой для конкретного места расположения в профиле пера и устанавливается для определенного двигателя. При традиционных способах штамповки на кривошипных прессах, получивших широкое распространение по своей простоте, образуются значительные застойные зоны с видимой неоднородностью структуры по штампованному профилю пера. Сопротивление деформации является важнейшей технологической характеристикой, определяющей поведение металла при обработке давлением. Давление в этих застойных зонах при штамповке на КГШП напрямую зависит от отношения ширины профиля к его толщине. Для получения требуемой геометрии приходится увеличивать припуск, иначе заготовки «непроштампуются». При горячей обработке титановых сплавов давлением применяют защитносмазочные покрытия, уменьшающие отвод тепла в инструмент во время деформации, что снижает температурную неоднородность по сечению заготовки. В большинстве процессов обработки металлов давлением преобладает граничное трение, что является зависимостью напряжения трения от скорости 27 скольжения. При холодном инструменте и при малых скоростях условия трения наиболее неблагоприятны. Но в этом случае из-за необходимости штамповки большего объема металла появляются зоны интенсивного деформации металла (ЗИД), которые способствуют возникновения структурной неоднородности. Изучению зон интенсивной деформации металла, влиянием на них температурно-деформационных факторов, а также технологических параметров (скорости, давления, величины припуска) и масштабного коэффициента посвящены работы И.А. Павлова, В.К. Смирнова, К.И. Литвинова [15 – 16], В.А. Волкова, Г.К. Катая, В.К. Катая, Л.С. Мещанинова [49]. В опубликованных работах исследовали только лабораторные образцы, а в работе [48] решали задачу совместного изучения влияния различных технологических факторов на образование ЗИД, выявления наиболее существенных из них и выработки рекомендаций по технологии производства крупногабаритных осесимметричных штампованных заготовок из титановых сплавов. Многие титановые α + β сплавы обладают в состоянии поставки низкой технологической пластичностью и неоднородностью структуры, поэтому актуальной является проблема получения изделий сложной формы и высокого структурного качества, подробно о данной проблеме описано в статье авторов: О.И. Быля, П.Л. Блекелл, Р.А. Васин, М.К. Саранджи [51]. Для понимания деформационных процессов при горячей объемной штамповке профильных деталей из титановых сплавов типа компрессорных лопаток с аэродинамическим профилем, используемых на турбовентиляторных двигателях, ставим перед собой задачу проведения работы на образцах при различных внешних параметрах. Экспериментальный метод дает достоверную оценку напряженно- деформированного состояния металла, как в натурных штамповках, так и на уменьшенных геометрически подобных моделях. Экспериментальные методы дают возможность оценивать достоверность и точность аналитических методов. Наиболее перспективным является метод объемного моделирования, что отражено в ряде научных работ [52 – 64]. В данной работе производилось моде- 28 лирование процесса штамповки в программе QForm-3D. При дальнейшей штамповке лопаток на электровинтовых прессах в выбранном варианте внешних параметрах, влияющих на возникновение структурного дефекта в виде белой полосы, работу проводим на натурных штамповках титановых лопаток, которые имели массовый брак по несоответствию требуемой индикации по макро и микроструктуре заданным классам А и В по требованиям европейской инструкции DMF 90527-01 или требованиям инструкции ВИАМ ПИ1.2.190-82, согласно которой макро и микроструктура материала должна быть не более соответствующего балла или типа. 1.4 Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования На основании анализа литературных источников и основных разработок в области штамповки лопаток ГТД, взаимосвязи формы штамповки от способа ее получения в заготовительном производстве можно сделать следующие выводы: 1. Проблемы изготовления лопаток ГТД связаны не только с усложнением конструктивного объема деталей, сложной формой штамповки, но и с постоянно растущими требования к качеству, точности и надежности. 2. В настоящее время на производстве используются технологии много переходной штамповки лопаток, имеющих большое отношение площади поперечного сечения хвостовика к площади поперечного сечения проточной части. Рост числа переходов штамповки увеличивает риск вероятности возникновения дефекта – разнозернистости («Белая полоса»). Необходимо совершенствовать заготовительное производство, использовать процессы штамповки (объемного деформирования) осуществляемые в условиях высоких температур, обеспечивающих минимальное количество переходов штамповки. 3. В настоящий момент вопрос изотермической штамповки лопаток из титановых сплавов не был детально рассмотрен в существующих работах, особенно с точки зрения интенсификации бездефектного процесса пластического деформирования. В связи с этим целью работы является разработка метода штамповки лопа- 29 ток компрессора, обеспечивающего их надежность за счет исключения структурной неоднородности. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: 1. Исследование механизма возникновения структурной неоднородности с целью создания оптимальных режимов штамповки, при которых неоднородность отсутствует. 2. Разработка математической модели штамповки титановых сплавов, исключающей условия возникновения структурной неоднородности. 3. Разработка компьютерной модели штамповки титановых сплавов для выполнения расчетов деформационных процессов 4. Сопоставление компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований на натурных образцах и лопатках с проведением сопутствующих металлургических исследований. 5. Разработка методики по заданию деформационных параметров, обеспечивающих качественное структурное формирование. 6. Оптимизация технологического процесса штамповки титановых лопаток на электровинтовых и механических прессах с дальнейшим внедрением в производство. 30 ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЗАГОТОВОК ЛОПАТОК ГТД С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ 2.1 Анализ дефектов при производстве лопаток в кузнечно- штамповочном переделе В кузнечном производстве при изготовлении штамповок титановых лопаток неминуемо возникает брак, который можно разделить на составляющие: 1) дефекты исходного материала; 2) дефекты, возникающие в процессе изготовления штамповок, которые в свою очередь разделяются на дефекты заготовок фасонирования и дефекты изготовления штамповок. Наиболее распространенными дефектами, приводящими к браку штамповок, являются дефекты исходного материала, возникающие при резке исходного материала на заготовки, а также закаты, плены, поверхностные риски, расслоения, флокены, альфированный слой, неметаллические включения. Дефекты от неправильного фасонирования заготовок, несовпадения объемов предварительных и окончательных ручьев штампов, неправильно выбранных радиусов и уклонов, перемычек, формы и размеров облойной канавки, несоответствия контура окончательного штамповочного ручья и контура обрезного штампа сегодня успешно решается проработкой данной конкретной технологии в программе объемного моделирования Q - Form 3D. Возникающие дефекты фасонирования прослеживаются по маркам материала, размерам прутка, типам штамповок, видам оборудования и т.д., которые анализируются и для них разрабатываются конкретные мероприятия, устраняющие причину их возникновения, поэтому в кузнечном производстве устранение причин этих дефектов не вызывает опасения и на каждый такой дефект имеются апробированные мероприятия. 31 Производственные дефекты, возникающие в процессе изготовления штамповок, связаны с неправильной настройкой оборудования и штамповой оснастки, приводящей к «недоштамповке», «перештамповке», разнотолщинности. Дефекты, вносимые вследствие нарушения технологических режимов штамповки в виде недогрева металла, неправильно выбранной и нанесенной смазке приводящего штамповку к образованию трещин, заковов и другим дефектам устраняются контролем соблюдения технологической дисциплины. Все дефекты титановых лопаток можно проследить по развитию технологии изготовления штамповок лопаток (табл. 2.1) Таблица 2.1 – Дефекты титановых лопаток №п/п Наименование кузнечных дефектов Внешний вид штамповки Мероприятия по его устранению Заков Доводка заготовки под гравюру штампа 2 Вмятины Исключить попадание инородных загрязнений на заготовку 3 Засор глубоких полостей (хвостовика, бобышки) Следить за попаданием загрязнений в гравюру штампа 1 32 Продолжение таблицы 2.1 №п/п Наименование кузнечных дефектов Внешний вид штамповки Мероприятия по его устранению 4 Поверхностный заков окалины Контроль качества поверхности после обдувки и чистоты наносимой смазки. 5 Поверхностные дефекты Удаление загрязнений с заготовки и из штампа. 6 Риски после зачистки Полировать после грубой зачистки дефектов. Незаполнения Контроль объема заготовки и правильная их укладка в гравюру штампа. 7 8 Перегрев Брак по размерам мактро и микрозерна 9 Перетрав Утонение профиля за допустимые пределы допуска Проверка приборов нагревательных печей контрольной термопарой Следить за скоростью травления ванны. 33 Продолжение таблицы 2.1 №п/п Наименование кузнечных дефектов Внешний вид штамповки Мероприятия по его устранению 10 Несоответствия КД штамповки На окончательном контроле геометрия профиля пера штамповки выходит за нижний предел допуска Уменьшить периодичность контроля) Встречное течение Изменить форму заготовки для перераспределения объемов заготовки Трещины Доработать заготовку по уменьшению объемов в зоне разрывов. 13 Смещения Выполнять обязательный контроль при настройке штампов по контрольным знакам. 14 Поверхностные сегрегации Следить за исключение подхолаживания заготовки 11 12 34 Окончание таблицы 2.1 №п/п 15 16 Наименование кузнечных дефектов Внешний вид штамповки Мероприятия по его устранению Прижог Не касаться профилем пера стола при клеймении электрографом и не использовать засаленную шкурку при зачистке дефектов Структурная неоднородность Необходим правильный выбор деформационных режимов по температуре, степени деформации, условиям смазки и др. режимам штамповки Современный уровень кузнечно-штамповочного производства, новые технологические процессы объемного деформирования (штамповка на гидровинтовых прессах, изотермическая и высокоскоростная штамповка) позволяют получать заготовки лопаток с малыми припусками по перу, исключающими грубые обдирочные и черновые операции механической обработки. Можно изготавливать заготовки с припусками под финишные операции механической обработки (шлифование, полирование) и без припуска, при этом припуски на хвостовике лопатки также уменьшаются. Заготовки лопаток, изготавливаемых без припуска на размерную механическую обработку (холодным вальцеванием, изотермической штамповкой), выполняются с точностью по профилю пера, регламентируемой чертежом готовой детали. Но процесс холодного вальцевания внедрен только на стальных лопатках, а 35 процесс изотермической штамповки имеет свои ограничения и недостатки, которые не позволяют вести разработку и внедрение роботизированных комплексов. Хотя в настоящее время автоматизации процесса штамповки уделяется большое внимание [65 – 84], но проработаны эти вопросы еще не полностью. Среди основных корпораций роботизации кузнечно-прессовых производств можно выделить KUKA, ABB, FANUC. Технология изотермической штамповки разработана на проведении деформации заготовки в штампах, нагретых до ковочной температуры (900-950°С). Поэтому используются защитно-технологические смазки на основе стеклоэмалей и для заполнения гравюры штампа излишки смазки выводятся по специальным каналам в виде сквозных отверстий («выпоров») из глухих полостей (хвостовика, бобышек) на подошву штампа. В эти же отверстия частично может задавливаться металл штамповки и извлечение такой заготовки довольно затруднительно. Иногда для извлечения отдельных штамповок приходится пользоваться кузнечным зубилом, что недопустимо при работе робота. Сам процесс изотермической штамповки, позволяющий изготавливать титановые лопатки без припуска по профилю пера, является трудоемким и достаточно дорогим, применение которого целесообразно при штамповке титановых лопаток компрессора с высоким коэффициентом использования металла (КИМ). Для этого разработан план по проведению опытных работ на образцах и штамповках, которые позволят понять причины возникновения дефекта белой полосы и наметить технологические процессы изготовления штамповок титановых безприпусковых лопаток с перспективой их серийного производства на роботизированном комплексе. 2.2 Модель формирования зоны контакта в процессе штамповки лопатки ГТД, учитывающая условия возникновения структурной неоднородности 36 Подготовка производства лопаток ГТД и ее эффективность занимают важнейшее место в изготовлении двигателей, так как являются массовыми с большой номенклатурой и имеют существенную долю в общей трудоемкости. Конструкция лопаток становится более сложной, так как для удовлетворения возросших эксплуатационных характеристик двигателя требуются новые материалы, которые зачастую оказываются трудно деформируемыми. Трудоемкость их изготовления при аэродинамическом профиле лопаток колеблется в общей трудоемкости в пределах 30…40 %. Существующие традиционные технологические процессы изготовления лопаток на предприятиях отрасли на сегодняшний день имеют очень низкий КИМ, который не превышает 20…25 %. В технологии изотермической штамповки титановых лопаток КИМ ощутимо выше и достигает до 0,3…0,4. Но особенности изотермической штамповки изза низкой производительности; ограниченности деформируемых металлов; сложности в изготовлении штампов; высокой стоимости материала штампов и их изготовления; низкой стойкости оснастки; сложности использования нагревательных устройств; больших энергозатрат; коробления штамповок лопаток при извлечении и их охлаждении, и других специфических особенностей не позволяют перешагнуть порог данных проблем для развития конкурентоспособного технологического процесса изготовления титановых лопаток компрессора. Поэтому разработка технологии изготовления титановых лопаток ГТД без припуска по профилю пера при штамповке на электровинтовом прессе приобретает актуальное значение, так как сразу решает множество выше указанных проблем. Внедрение такой технологии позволяет создать конкурентно способный современный двигатель с технологическим суверенитетом, что значительно расширит международное экономически выгодное сотрудничество. Можно рассматривать несколько причин, влияющих на возникновение структурного дефекта в виде белой полосы: 1. температура нагрева заготовки; 2. большие степени деформации; 37 3. высокое граничное поверхностное трение заготовки по штампу из-за высокой шероховатости гравюры; 4. низкая температура штамповой оснастки; 5. низкая температура полиморфного превращения конкретной плавки; 6. качество защитно-смазочных покрытий заготовки и гравюры штампа и др. Математическая модель штамповки получается из нанесенных припусков под дальнейшую механическую обработку, точек базирования, штамповочных уклонов и напусков. Имея эти «вводные» технолог разрабатывает 3D-модель штамповки в UG, создается модель имеющая геометрические параметры, определенную форму и начало координат - ось, как правило, она совпадает с осью двигателя. Далее имея математическую модель штамповки, зная ее вес, можно выполнить ее «откат» до исходного прутка, используя программные инженерные расчеты. Зная исходный пруток, а именно диаметр и длину, можно перейти к процессу фасонирования: – операции высадки или выдавливания - служат для набора металла в нужных местах, как правило для замковой части,; – плющение пера; – сама штамповка, она также может дробиться на предварительную и окончательную, а в зависимости от заданной чертежом точности может быть и калибровкой и термофиксацией. Как только создана математическая модель, посчитан исходный пруток, можно перейти к компьютерному моделированию в Q-Form. В нем моделируются процессы фасонирования и штамповки исходя из указанного в чертеже материала, подбирается температурный режим, заносится коэффициент смазки, подогрев штампов, смотрится в целом выбранный способ деформирования, а, следовательно, и степень деформации на каждом переходе, которая зависит от указанных факторов. Неправильно выбранная степень деформации может являться причиной указанных дефектов в том числе и «белой полосы» На главном виде штамповки титановой лопатки (рис. 2.1) видно, что профиль пера имеет выгнутый в двух осях аэродинамический профиль, который для 38 разработки технологии бесприпусковой штамповки лопатки требует разработки новых технологических процессов по всем операциям изготовления. Рисунок 2.1 – Штамповка лопатки При фасонировании заготовки требуется учитывать изогнутость гравюры штампа, чтобы обеспечить укладку прямой высаженной и отвальцованной заготовки. Получение заготовки с изогнутым профилем на существующем кузнечном оборудовании в серийном производстве не используется, поэтому укладку прямой заготовки необходимо проводить с поворотом штампа на корыто профиля. При штамповке лопаточного профиля происходит заполнение гравюры штампа от центра (Сmax) к (С1, С2) входной и выходной кромке, и через облойный мостик в облойную канавку. Рассмотрим схему построения профиля пера штамповки лопатки, где за хордой АВ профиль лопатки переходит в облойный мостик (рис. 2.2). 39 Рисунок 2.2 – Схема профиля пера лопатки В зависимости от типоразмера лопаток величины конкретных кромочных размеров (1,5 и 2 мм) отличаются. Допуски на размеры С 1, С2, Сmax задаются в зависимости от способа изготовления. В данной схеме построения профиля пера штамповки показаны допуски из технологии изготовления лопаток под безразмерную обработку профиля пера. Покажем штамповку лопатки на примере моделирования этого процесса в специализированной программе Q-Form 3D. На рисунке 2.3 в деформационных схемах «а», «б», «в», показано изменение внутри деформационных процессов течение материала по сечению профиля пера в зависимости от различных условий нагружения. Заготовки после предварительной штамповки при подхолаживании имеют поверхностное повышенное сопротивление пластической деформации, поэтому при штамповке более интенсивная проработка происходит в срединной части лопаточного профиля. 40 Рисунок 2.3 – Вид заготовки в процессе деформирования в 3-х стадиях разрез: а – начало лопаточного профиля; б – середина лопаточного профиля; в – конечная часть лопаточного профиля Моделирование процесса штамповки в специализированной программе дает возможность наглядно рассмотреть перемещение трассирующих линий – линий движения металла внутри заготовки (рис. 2.4). Рисунок 2.4 – Распределение трассирующих линий в процессе штамповки По трассирующим линиям наглядно видно, как происходит структурное 41 внутрипрофильное перемещение металла и перераспределение температурного поля по сечению соразмерно с интенсивными структурными течениями. На крайнем правом изображении рисунка 2.4 в разрезе хорошо виден классический деформационный крест, обозначенный светлой частью температурного поля с максимальным еѐ значением в центре. Более крупно этот момент представлен на рисунке 2.5 Рисунок 2.5 – Температурное поле заготовки при окончании деформации В центральной части профиля в ограниченной зоне при больших степенях деформации проходит значительный деформационный структурный прострел, который является причиной зарождения структурной неоднородности – «белой полосы» (рис. 2.6). Рисунок 2.6 – Температурное поле заготовки при оформлении профиля В сформированном профиле видно, как в центральной зоне профиля загущаются трассирующие линии, показывая большие деформационные перемещения 42 внутренней части в узкой ограниченной полосе. Такая разница скоростного перемещения материала в центральной части и у поверхности является причиной возникновения структурной неоднородности. При достижении критической температурной разницы по сечению профиля от поверхности к еѐ центральной части складываются благоприятные условия для возникновения «белой полосы». Поэтому необходимо определить технологические условия в границах деформационного процесса, при которых негативного влияния на формирование профиля не будет оказано и штамповки лопаток будут по структуре отвечать заданным требованиям технической документации, без зарождения и развития структурной неоднородности в виде «белой полосы». Заготовки после предварительной штамповки при подхолаживании имеют повышенное поверхностное сопротивление пластической деформации, поэтому при штамповке более интенсивная проработка происходит в срединной части лопаточного профиля. При получении профиля лопатки металл заготовки течет с разными скоростями и, чем ближе к кромке, тем разность между серединой профиля и ее поверхностью становится больше, так как все вышеперечисленные факторы оказывают свое негативное влияние. Процессы внутри структурного деформационного разогрева при горячей штамповке объясняются также ростом тепловых потерь в связи с резким возрастанием площади контакта со штампом. В этом случае происходит увеличение разности скоростного истечения материала по поверхности и в середине профиля. Эта разница становится больше при приближении штампов к оформлению заданной толщины профиля пера штамповки, что приводит к ещѐ большей деформационной неоднородности. При прочих постоянных технологических параметрах улучшение смазывающего разделительного эффекта приводит к снижению коэффициента трения и уменьшению неравномерности деформационных условий на поверхности и внутри профиля. 2.3 Основные требования к проведению экспериментальных иссле- дований, позволяющих оценить степень предрасположенности к возникновению дефектов в штамповке лопаток компрессора ГТД 43 Концептуальная схема процесса создания оптимального технологического процесса штамповки титановых лопаток ГТД основана на рассмотрении изменения (корректировки) критических параметров технологического процесса (ТП) как системы. В рамках процесса разработки проведения опытной работы целесообразно использовать результаты металлургических исследований на образцах, полученных при практически всевозможных сочетаниях отобранных критических параметров. Результатом подбора оптимального сочетания технологических параметров в разрабатываемом ТП будет являться соответствие механических свойств и структуры требованиям технологической документации (ТД) конструктивной детали (лопатки). Элементы входа соответствуют накопленному опыту в кузнечном производстве по изготовлению штамповок титановых лопаток и содержат сведения о мировом уровне развития знаний, об экономических и технологических условиях развития лопаточного производства. Оценка возможности технической реализации и экономической целесообразности такой разработки позволяет принять объективное решение о необходимости исследования, что является началом процесса разработки нового, современного технологического процесса штамповки титановых лопаток. Сущность системного анализа состоит в установлении всех взаимосвязей между корректируемыми технологическими факторами и определении их влияния на поведение всего технологического процесса, как единого целого с получением заданных параметров по механическим свойствам и структуре, соответствующей конструкторской документации (КД) детали. При этом должен соблюдаться принцип главенствования уточняемых критериев. Задача разработки прогрессивного технологического процесса является весьма многогранной из-за необходимости использования большого количества зависящих друг от друга критических параметров. При этом в процессе выполнения очередных этапов разработки ТП необходимо возвращаться к пересмотру ранее принятых решений, опираясь на накоп- 44 ленный производственный опыт штамповки титановых лопаток, с целью создания оптимального технологического процесса с точки зрения получения требуемого качества детали, технологичности процесса и экономичности ресурсов. Такой подход к решению данной задачи позволяет значительно повысить эффективность создания нового, прогрессивного технологического процесса штамповки титановых лопаток компрессора ГТД. При разработке ТП можно выделить несколько основных этапов: 1. подготовка исходных данных для проведения опытных, исследовательских работ, учитывая весь опыт кузнечного производства штамповки титановых лопаток; 2. выявление доминирующих технологических параметров штамповки лопаток, сочетание которых позволяет найти прямую зависимость изменяемых параметров на создание оптимальных условий штамповки; 3. разработка экспериментальной таблицы проведения опытной работы с учетом всех выбранных критических параметров процесса, эффективно влияющих на конечный результат разрабатываемого ТП (качество штампуемой деталилопатки); 4. проведение опытной работы на образцах по вариантам таблицы с различным сочетанием критических параметров; 5. металлургические исследование штампованных образцов по основной характеристике разрабатываемого процесса – структурной неоднородности, в виде материального дефекта «белая полоса»; 6. разработка рекомендаций для проектирования ТП штамповки титановой лопатки с необходимым количеством кузнечных переходов при выбранном оптимальном сочетании критических параметров. Взаимная связь всех этапов и последовательность проведения разработки ТП штамповки позволили выявить влияние пяти параметров на достижение требуемой структуры в лопаточном профиле пера: температура заготовки; температура штампа; степень деформации; смазка детали; смазка штампа. 45 2.4 Выводы по главе 2 1. Автором разработано планирование опытных экспериментальных работ на образцах и штамповках, что позволит определить причины возникновения дефекта белой полосы и наметить маршруты технологических процессов штамповок титановых бесприпусковых лопаток с перспективой их серийного производства на роботизированном комплексе 2. Автором выполнен анализ и предложены методы обработки лопаток ГТД, позволяющие избежать возникновения дефекта «белой полосы» 3. При анализе структурной неоднородности выявлено влияние пяти технологических параметров на достижение требуемой структуры в лопаточном профиле пера: температура заготовки, температура штампа, степень деформации, смазка детали, смазка штампа, результатом подбора оптимального сочетания которых будет являться соответствие механических свойств и структуры лопатки требованиям технологической документации. 4. Автором предложен алгоритм расчета технологических условий бесприпусковой штамповки титановых лопаток компрессора ГТД, позволяющий дать рекомендации для назначения режимных параметров, обеспечивающих штамповку лопаток с соответствующим качеством структуры требованиям КД чертежа. 46 ГЛАВА 3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД Для дальнейшего развития исследований в области обработки металлов давлением необходимо развивать экспериментальные методы оценки напряженного и деформационного состояния металла. Моделирование дает возможность вскрыть основные закономерности течения технологических процессов и описать различные экспериментальные методы исследования напряжений и деформаций. Для правильного выбора технологических вариантов штамповки при современном развитии кузнечного производства необходимо применять метод физического моделирования, который позволяет определить условия, обеспечивающие оптимальные течения материала, чем гарантировать достижения требуемого структурного состояния штамповки. 3.1 Моделирование технологического процесса штамповки При математическом моделировании могут возникать очевидные противоречия между расчетным изменением формы деформированной заготовки и технологической практикой. Для того чтобы учесть все особенности сложнопрофильной детали необходимо компьютерное моделирование процесса для этого можно использовать программу, позволяющую создавать 3D-модели. Наибольшую достоверность обеспечивает моделирование технологического процесса в программе QForm-3D. Это российская программа для расчета больших пластических деформаций, получившая широкое распространение на отечественных и зарубежных предприятиях заготовительного и металлургического производства. Специализирована для отладки оснастки и технологических процессов обработки металлов давлением, штамповки, ковки. Был смоделирован процесс процессов горячей штамповки при изготовлении титановых лопаток компрессора. Методически работу проводили в три этапа. 47 На первом этапе из вероятных причин выявляли наиболее существенные факторы. Для этого эксперименты проводили на образцах с использованием объемного моделирования процесса на программе QForm-3D, так как разработка технологических процессов обработки металлов давлением (ОМД) без компьютерного моделирования – поиск решений вслепую. Метод проб и ошибок очень дорог и слишком медленно ведет к цели. На втором этапе после объемного моделирования, ставили эксперимент по уже выбранному диапазону внешних факторов на образцах в металле с проведением металлургических исследований по макро и микроструктуре. На третьем этапе проводили работу на штамповках лопаток идущего серийного изделия с проработкой вариантов на программе QForm-3D и дальнейшем изготовлении штамповок титановых лопаток с проведением металлургических исследований. Исходная структура заготовки, деформирующее усилие штамповки и скоростной режим должны быть определены для каждой конкретной детали и равномерно распределены по объему заготовки, на что влияет состояние контактных поверхностей и др. Для определения влияния всех факторов наиболее приемлемый способ исследования – это математическое моделирование с использованием программы объемного моделирования QForm3D. Моделирование деформационных процессов горячей штамповки при изготовлении титановых лопаток компрессора на электровинтовом прессе ус.1100тс проводим в UG на образцах из материала TA6Vс различными степенями деформации из заготовок Ф20 мм L=60 мм с нагревом в эл. печи: 900°С, 915°С, 930°С и температурой штамповой оснастки 150, 200, 250°С без смазки и со смазкой штампа маслом с графитом и заготовок ЭВТ-24. Схема 1 проведения испытаний на образцах в QForm 3D по анализу трассирующих линий, нанесенных по телу исходной заготовки и измененных после выполненной деформации при различных условиях, приведена на рисунке 3.1. При деформировании заготовки слой смазки является эффективным способом, который значительно снижает коэффициент граничного трения между заго- 48 товкой и штампом, а также являться хорошим теплоизолятором. Для моделирования технологического процесса на заготовку наносим трассирующие линии с интервалом 2мм (рис. 3.2). После осадки исходной заготовки при укладке по образующей будем анализировать деформационное состояние по разрезу в поперечном сечении, показанному на рис. 3.3. Осадка по образующей образца Ф20мм, L=60мм из материала TA6V при степени деформации на Ԑ=70% (до 6мм) при коэффициенте трения 0,1 и температуре штампа 250°С. Рисунок 3.1 – схема 1 проведения работы в QForm 3D по анализу трассирующих линий, нанесенных по телу исходной заготовки и измененных после выполненной деформации при различных условиях 49 Исходная заготовка Ф20мм, L=60мм, материал ТА6V. 2 1 1 2 3 3 2мм Трассирующие линии 1, 2, 3 Рисунок 3.2 – Поперечное сечение заготовки с трассирующими линиями Рисунок 3.3 – Поперечное сечение осаженной заготовки На рис. 3.4 хорошо видно, какую форму принимают трассирующие линии, и где возникает более высокое температурное поле. По такому измененному состоянию деформационного и температурного поля видим, что анализирование процесса изменения структуры до возникновения белой полосы более наглядно будет видно по поперечному разрезу образца. По результатам замера деформированных трассирующих линий проводим расчет деформации, максимально возникающий в изгибе. 50 Рисунок 3.4 – Поперечное сечение осаженной заготовки в QForm 3D с нанесенными трассирующими линиями и температурным полем по среднему сечению осаженного образца Были выбраны различные температуры деформации (900ºС, 915ºС, 930ºС), коэффициенты трения (ктр 0,1, 0,4, 0,8), начальная температура штампов (150ºС, 200ºС, 250ºС) Данные замеров максимального расширения трассирующей линии 1, 2, 3 с температурами, замеренными в изгибе линий, сведены в таблицу 3.1 Технологические решения получения требуемой структуры при определенных деформационных условиях горячей штамповки из-за различных комбинационных вариантов степеней деформации предварительной и окончательной штамповки проработаем по схеме 2, представленной на рисунке 3.5. Задача состоит в подборе такого сочетания, которое позволит получить гарантированное бездефектное изготовления профильных деталей с удовлетворительной структурной неоднородностью. Таблица 3.1 – Сводные данные результатов моделирования 930 0,4 0,1 0,8 915 0,4 0,1 0,8 900 0,4 0,1 Середина образца 0,8 Степень деформации процесса осадки образца по образующей, % Температура штампов, ºС К-т трения, К тр. Температура деформации, ºС 51 150 Н ɛ% 8,06 75,19 16,02 62,55 21,29 53,03 11,85 83,12 21,07 71,52 27,23 63,28 17,45 88,54 28,33 78,82 36,12 72,31 26,96 92,58 41,76 85,63 52,18 80,84 Темпер в заготовке Т, ºС 954 935 918 963 943 929 972 954 941 985 966 955 200 Н ɛ% 7,42 73,05 15,37 60,96 20,83 51,99 10,13 80,26 19,28 68,88 26,08 61,66 13,99 85,7 25,3 76,28 33,98 70,57 20,81 90,39 36,46 83,54 48,03 79,18 Темпер в заготовке Т, ºС 951 934 919 958 941 929 966 951 940 978 964 953 250 Н ɛ% 5,49 63,57 13,28 54,82 18,87 47,01 6,69 70,1 15,72 61,83 22,52 55,6 8,53 76,55 19,42 69,1 27,79 64,02 11,83 83,09 26,51 77,37 37,53 73,35 Темпер в заготовке Т, ºС 946 933 920 953 941 929 961 950 940 971 962 952 150 Н ɛ% 8,07 75,22 16,01 62,52 21,28 53,01 11,82 83,08 20,96 71,37 27,2 63,24 17,42 88,52 28,24 78,75 36,13 72,32 26,8 92,54 41,54 85,56 52,12 80,81 Темпер в заготовке Т, ºС 943 923 905 952 932 917 962 943 930 978 957 948 200 Н ɛ% 7,48 73,26 15,39 61,01 20,83 51,99 10,2 80,39 19,3 68,91 26,07 61,64 14,11 85,83 25,28 76,27 33,94 70,54 21,05 90,5 36,54 83,58 48,06 79,19 Темпер в заготовке Т, ºС 941 922 907 947 930 917 956 941 929 969 954 943 250 Н ɛ% 5,52 63,77 13,29 54,85 18,87 47,01 6,73 70,28 15,74 61,88 22,51 55,58 8,56 76,64 19,45 69,15 27,77 63,99 11,88 83,16 26,54 77,39 37,5 73,33 Темпер в заготовке Т, ºС 937 921 907 945 929 918 953 938 929 965 953 946 150 Н ɛ% 8,08 75,2 16,02 62,5 21,26 53 11,92 83,2 21,07 71,5 27,22 63,3 17,34 88,5 28,18 78,7 36,06 72,3 26,89 92,6 41,66 85,6 51,99 80,8 Т, ºС 932 910 892 945 922 906 952 932 919 957 949 944 Н ɛ% 7,53 73,4 15,41 61,1 20,82 52 10,31 80,6 19,33 69 26,05 61,6 14,22 85,9 25,33 76,3 33,88 70,5 21,24 90,6 36,55 83,6 47,97 79,2 Темпер в заготовке Т, ºС 931 911 894 939 919 905 945 929 917 961 945 934 250 Н ɛ% 5,5 63,6 13,3 54,9 18,9 47,1 6,62 69,8 15,65 61,7 22,47 55,5 8,64 76,9 19,48 69,2 27,79 64 11,95 83,3 26,53 77,4 37,44 73,3 Темпер в заготовке Т, ºС 927 910 895 930 918 906 940 927 918 955 944 934 Темпер в заготовке 200 50 60 70 80 Деформационный изгиб (Н) между трассирующими линиями 1, 2, 3 с определением в изгибе внутренних температур 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 52 Рисунок 3.5 – схема 2 проведения работы в QForm 3D В практической работе при штамповке лопаток компрессора из титановых сплавов картина структурного преобразования по переходам штамповок меняется, поэтому для дальнейшего понимания проработаем двухступенчатую штамповку заготовок, приближенную к схеме натурной традиционной штамповке лопаток. Для проведения моделирования процесса выбирался штамп следующей конструкции, показанной на рисунке 3.6. Рисунок 3.6 –Внешний вид опытного ковочного штампа для первого предварительного перехода штамповки лопаточного профиля на электровинтовом прессе Опытная работа проводилась по схеме 3, которая предусматривает возможности взаимозависимого изменения степеней деформации первого и второго пе- 53 реходов (рис. 3.7). Рисунок 3.7 – схема 3 проведения работы в QForm 3D Для осадки был выбран пруток ø 11 мм со степенью деформации 50 % проведем первую штамповку переменного по сечению профиля с максимальной величиной по размеру Н1=5,4 мм. Второй переход выполнялся со степенью деформации 40 % до размера Н = 3,2 мм. (таб. 3.2). Таблица 3.2 – Осадка прутка с различной степенью деформации № п/п 1 1-й пер. Øисх, (ɛ %) мм 51 11 Н1, мм В1, мм 5,4 25 2-й пер. Исх. Н2, (ɛ %) выс., мм мм 41 5,4 3,2 В2, мм 29,9 Исходная заготовка с трассирующими линиями и отштампованная после первого и второго перехода представлена на рисунках 3.8 и 3.9 соответственно. Внутриструктурная степень деформации в перегибе трассирующей линии 1 на первом переходе составляет 76 %, при ширине трассирующей линии заготовки Нтр = 1,84, ширина трассирующей линии после первого перехода Нтр.1 = 7,8. 54 Рисунок 3.8 – Исходная заготовка с трассирующими линиями и отштампованная после первого перехода Рисунок 3.9 – Заготовка под второй переход с трассирующими линиями. Внутриструктурная степень деформации в перегибе трассирующей линии на втором переходе составляет 42 %, при ширине предварительной трассирующей линии Нтр. пред = 2,1, ширина трассирующей линии после второго перехода Нтр.2 = 3,65 Штамповку лопаточного профиля выполняем при температуре заготовки 930 °С. При этом время переноса заготовки из печи до штампа составляет 4 секунды, а нахождением в штампе до удара 1 секунда. Вид заготовки в штампе до удара верхним бойком представлен на рис. 3.10 55 Рисунок 3.10 – Вид заготовки в штампе до удара верхним бойком Распределение температуры по заготовке перед штамповкой представлено в таблице 3.3 и на рис 3.12. Таблица 3.3 – Распределение температуры по заготовке перед штамповкой R, мм 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2 Т, ºС 858 861 863 865 869 876 885 Рисунок 3.12 – График распределение температуры по заготовке перед штамповкой 56 Вид заготовки в штампе после предварительной штамповки, места замера температуры и распределение температур по заготовке представлены на рис. 3.13, рис. 3.14 и таблице 3.4 соответственно. Рисунок 3.13 – Вид заготовки в штампе после предварительной штамповки Рисунок 3.14 – Места замера температуры на заготовке Таблица 3.4 – Распределение температуры по заготовке перед штамповкой В1/2, мм 12 10 8 6 4 3 В центре Т, ºС 908 923 936 945 952 960 965 График распределения температуры по заготовке после предварительной штамповки с температуры 930°С представлен на рисунке 3.15 Вид заготовки в штампе перед окончательной штамповкой, места замера температуры и распределение температур по заготовке представлены на рис. 3.16, рис. 3.17 и таблице 3.5 соответственно. 57 Рисунок 3.15 – График распределения температуры по заготовке после предварительной штамповки с температуры 930°С Рисунок 3.16 – Вид заготовки в штампе перед окончательной штамповкой Рисунок 3.17 – Размеры профиля перед окончательной штамповкой 58 Таблица 3.5 – Распределение температуры по заготовке перед окончательной штамповкой В1, мм Край 10 8 6 4 3 В центре Т, ºС (до) 808 814 823 836 850 860 870 График распределения температуры по заготовке перед окончательной штамповкой с температуры 930 °С представлен на рисунке 3.18 Рисунок 3.18 – График распределения температуры по перед окончательной штамповкой с температуры 930 °С Вид заготовки в штампе после окончательной штамповки, места замера температуры и распределение температур по заготовке представлены на рис. 3.19, рис. 3.20 и таблице 3.6 соответственно. Рисунок 3.19 – Вид заготовки в штампе после окончательной штамповки 59 Рисунок 3.20 – Размеры профиля после окончательной штамповки Таблица 3.6 – Распределение температуры по заготовке после окончательной штамповки Вдеф, мм Край 12 9 7 5 3 В центре Т, ºС (после) 810 824 836 848 861 872 880 График распределения температуры по заготовке после окончательной штамповки с температуры 930 °С представлен на рисунке 3.21 Рисунок 3.21 – График распределения температуры по заготовке после окончательной штамповки с температуры 930 °С Из проведенного анализа работы по схеме 3, при профильном деформировании заготовок из прутка со степенями 50% на предварительном переходе и 40% на окончательном переходе, отмечаем, что при этих степенях деформации с Ф11мм до 5,4мм и с 5,4мм до 3,2мм структура заготовок получается удовлетворительной для любого типа лопаток. При степени деформирования за один переход 70 % с ø 11 мм до 3,2 мм 60 структура не соответствует требованиям ТД. Выяснили, что от деформационных условий штамповки титановых сплавов, таких как температура штамповки, температура штампа, время переноса штамповки из печи в штамп, используемой смазки, изменяя коэффициент трения между штамповкой и штампом, и, в зависимости от приложенной степени деформации, создаются условия для получения внутри профильных структур, которые могут быть и дефектными в виде «белой полосы». 3.2 Анализ результатов процесса моделирования и построение графических зависимостей Анализ влияния температуры и степени деформации титанового материала ТА6V будем проводить по структурному макро и микро-изменению в поперечном сечении образца в изгибе трассирующих линий 1. При проведении анализа деформационного поля на поверхности и в середине образца после осадки на различные степени деформации стало очевидным, что причиной структурной неоднородности может быть высокая внутренняя локальная деформация, убывающая от центра в срединной части к краю образца. При фиксированной степени деформации цилиндрических образцов от 50 % до 80 % локальная внутренняя степень деформации изменяется в сторону увеличения в зависимости от коэффициента трения 0,1 к 0,8. Из таблицы 3.1 видно, что деформационная интенсивность проявляется во внутренней центральной части образца по центральным трассирующим линиям. При заданной температуре деформации 930°С в титановом сплаве ТА6V в зависимости от степени деформации и коэффициента трения во внутренней срединной части образца происходит деформационный разогрев, температура которого выше изначальной температуры нагрева образцов, и возрастает с увеличением коэффициента трения от 0,1 к 0,8 по всем трассирующим линиям Графики температурного поля по трассирующим линиям представлены на рис. 3.22 – 3.24). 61 Рисунок 3. 22 – График температурного поля по трассирующим линиям при деформации с температуры нагрева 930 ºС при Ктр = 0,8 Рисунок 3. 23 – График температурного поля по трассирующим линиям при деформации с температуры нагрева 930 ºС при Ктр = 0,4 Аналогичный анализ моделирования деформационных процессов горячей штамповки по температурным полям в программе QForm 3D при изготовлении титановых лопаток компрессора на электровинтовом прессе ус.1100тс проводим на образцах из материала TA6V с различными степенями деформации из заготовок Ф20 мм L=60 мм с нагревами в эл. печи при 900°С. 62 Рисунок 3. 24 – График температурного поля по трассирующим линиям при деформации с температуры нагрева 930 ºС при Ктр = 0,1 При температуре штамповой оснастки: – 150°С без смазки; – 200°С со смазкой штампа маслом с графитом; – 250°С со смазкой штампа маслом с графитом и заготовок ЭВТ-24. Графики температурного поля по трассирующим линиям при деформации с температуры нагрева 900 ºС представлены на рис. 3.25–3. 27. Рисунок 3. 25 – График температурного поля по трассирующим линиям при деформации с температуры нагрева 900 ºС при Ктр = 0,8 63 Рисунок 3. 26 – График температурного поля по трассирующим линиям при деформации с температуры нагрева 900 ºС при Ктр = 0,4 Рисунок 3. 27 – График температурного поля по трассирующим линиям при деформации с температуры нагрева 900 ºС при Ктр = 0,1 По отштампованным плоским образцам из материала TA6V при разных степенях деформации в интервале ковочных температур с различным влиянием внешних условий на процесс деформирования, таких как деформационный внутренний разогрев, возникающий из-за поверхностного подхолаживания материала и более интенсивной проработки внутренних слоев, определяем критические области значений с максимальной внутренней деформационной температурой, степенью деформации, при превышении которых возникает риск появления структурной неоднородности. Для этого построим графики изменения деформационного поля по трасси- 64 рующим линиям на температуры 930 и 900°С (рис. 3.28 – 3.32) Рисунок 3.28 – График деформационного поля по трассирующим линиям при начальной деформации образцов с температуры 930 ºС при Ктр = 0,8 Рисунок 3.29 – График деформационного поля по трассирующим линиям при начальной деформации образцов с температуры 930 ºС при Ктр = 0,4 Рисунок 3.30 – График деформационного поля по трассирующим линиям при начальной деформации образцов с температуры 930 ºС при Ктр = 0,1 65 Рисунок 3.31 – График деформационного поля по трассирующим линиям при начальной деформации образцов с температуры 900 ºС при Ктр = 0,8 Рисунок 3.32 – График деформационного поля по трассирующим линиям при начальной деформации образцов с температуры 900 ºС при Ктр = 0,4 Рисунок 3.33 – График деформационного поля по трассирующим линиям при начальной деформации образцов с температуры 900 ºС при Ктр = 0,1 66 По данным результатам графиков, представленных на рис. 3.28 – 3.33, выбираем доминирующую трассирующую линию 1, определяющую наиболее вероятную возможность возникновения структурной неоднородности в этой температурной зоне, результаты занесем в таблицу 3.7. Таблица 3.7 – Результаты деформации титановых заготовок из материалов ВТ6 ø 20 мм, L = 60 мм при осадке по образующей Таблица результатов деформации титановых заготовок из материала ВТ6 Ф20 мм, L= 60 мм при осадке по образующей. Темпер. Коэфф. Темпер. деформ. трения, штампов, °С Ктр °С 0,8 150 930 915 900 0,4 200 0,1 250 0,8 150 0,4 200 0,1 250 0,8 150 0,4 200 0,1 250 Cтепень деформации процесса по образующей, % Средина образца Деформационный изгиб (Н) между трассирующими линиями 1 Степень деформации Ԑ% по трассирующим линиям 1 Температура в заготовке в изгибе трассурующих линий 1, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С Деформационный изгиб, Н Степень деформации, Ԑ% Температура в заготовке, Т°С 50 60 8,1 75 11,9 1 954 7,4 73 951 5,5 64 946 8,1 75 943 7,5 73 941 5,5 64 937 8,1 75 932 7,5 73 931 5,5 64 927 70 83 17,5 2 963 5 9 13 17 21 25 29 33 10,1 80 958 6,7 70 953 11,8 83 952 10,2 80 947 6,7 70 945 11,9 83 945 10,3 81 939 6,6 70 930 80 89 27,0 3 972 6 10 14 18 22 26 30 34 14,0 86 966 8,5 77 961 17,4 89 962 14,1 86 956 8,6 77 953 17,3 88 952 14,2 86 945 8,6 77 940 93 4 985 7 11 15 19 23 27 31 35 20,8 90 978 11,8 83 971 26,8 93 978 21,1 90 969 11,9 83 965 26,9 93 967 21,2 91 961 12,0 83 955 8 12 16 20 24 28 32 36 По результатам расчета таблицы 3.7 строим обобщенный график температурного поля деформационных процессов на основании трассирующей линии 1 (рис. 3.34). График строим при температурах проведения работы при 900°С, 915°С и 930°С с коэффициентами трения 0,8; 0,4; 0,1 в каждой температуре. Указанные 67 коэффициенты трения достигаются применением соответствующих смазок и температур разогрева штамповой оснастки, так: – коэффициент трения 0,8 получается при температуре штампа 150°С и без смазки гравюры штампов. – коэффициент трения 0,4 получается при температуре штампа 200°С со смазкой гравюры штампов масло с графитом. – коэффициент трения 0,1 получается при температуре штампа 250°С со смазкой гравюры штампов масло с графитом и заготовки стеклосмазкой ЭВТ-24. Рисунок 3.34 – График температурного поля по трассирующим линиям 1 при осадке образцов из титанового сплава ВТ6 с температуры, 930 ºС, 915 ºС, 900 ºС при Ктр=0,8, 04, 0,1 68 По результатам графиков деформационного поля (3.28 – 3.33) видно, что локальная деформация по трассирующей линии 1 имеет большую величину, что дает основание рассматривать ее, как наиболее вероятную к наведению структурной неоднородности. После построения графиков деформационного поля при температурах 900°С, 915°С и 930°С с коэффициентами трения 0,8; 0,4; 0,1 видим, что линии графиков слились по температурам и существенно отличаются по коэффициентам трения. На внутриструктурную деформацию оказывает существенное влияние коэффициент трения, при этом более ощутимо по трассирующей линии 1. Это дает основание рассматривать ее, как наиболее вероятную к наведению структурной неоднородности. Поэтому строим объединенный график по трассирующим линиям 1 с оценкой влияния коэффициентов трения на деформационное поле (рис. 3.35). 69 Рисунок 3. 35 – График деформационного поля по трассирующим линиям 1при начальной трансформации образцов с температур 930º, 915º, 900ºС при усредненных значениях коэффициента трения Ктр=0,8, Ктр=0,4, Ктр=0,1 По графику деформационного поля (рис 3.35) строим трехмерный объемный график с определением по конкретным технологическим условиям штамповки внутреннюю локальную степень деформации в штамповках при температуре 930°С, 915°С, 900°С по трассирующим линиям 1 с разными коэффициентами трения (рис. 3.36). Рисунок 3.36 – Внутреннее деформационное состояние при различных внешних условиях и температуре 930 ºС Для более полного рассмотрения деформационного поля по осаженным плоским образцам из материала ТА6V проводим оценку локальной внутренней деформации в интервале ковочных температур при 900°С и 915°С. Графики развернутого деформационного поля практически совпадают между собой. Поэтому строим объединенный график деформационного поля по трассирующим линиям 1 по усредненным значениям на температурах 930°С, 915°С и 900°С для коэффициентов трения 0,8; 0,4; 0,1. Для расширения зоны влияния степеней деформации на возникновение структурной неоднородности проводим исследование по осадке образцов при 70 30% и 40%, согласно дополнительной таблице испытаний (табл. 3.8). Дальнейшая работа проводилась на основании анализа изменения деформационного поля трассирующей линии 1. Таблица 3.8 – Результаты деформации титановых заготовок из материала ТА6V ø 20 мм, L = 60 мм при осадке по образующей 71 Теперь графики будут выглядеть в расширенном деформационном диапазоне степеней деформации от 30% до 80%. Из графика деформационного поля можно видеть, как изменяется внутри деформационное состояние в зависимости от температур нагрева, коэффициентов трения и приложенной степени деформации. Трансформируем график температурного поля в более удобном виде для создания номограммы с целью определения зависимости изначальной степени деформации титанового сплава ТА6V, температуры нагрева заготовки и коэффициента трения на деформационные значения внутри профильной степени деформации и возникающего внутри деформационного разогрева (рис. 3.39). Оценку зависимости внутри профильного деформационного состояния по критическим степеням деформации и температуре проводим, совмещая взаимосвязь двух графиков внутри деформационного и температурного полей. Для определения взаимного влияния доминирующих технологических параметров штамповки (степени деформации, температуры нагрева заготовки, коэффициента трения) создадим номограмму 1 (рис. 3.37), которая позволит при предварительно выбранных деформациях, температурах и коэффициенте трения спрогнозировать критические параметры условий штамповки, приводящие изготовление данных штамповок к структурной неоднородности, выходящей за допустимые значения и проводящие к браку. 72 Рисунок 3.37 – Номограмма 1: влияние степени деформации при различных коэффициентах трения на внутрипрофильную деформационную температуру 73 Данная номограмма позволяет оптимально определить структурное состояние деформированных профилей из титановых сплавов. Для этого проведенная работа по деформированию образцов при разных условиях штамповки, выраженных в различной изначальной степени деформации, температуре заготовки, температуре штампов, условиях смазки с коэффициентами трения 0,1; 0,4; 0,8 после оценки на шлифах макро и микроструктуры, допустимых для данного изделия, даст номинальные рамки деформационных условий штамповки. 3.3 Математическое моделирование деформационного и температурного состояния заготовки, формирующее структуру профиля пера лопатки ГТД Оценка соответствующих макро- и микроструктур по исследуемым технологическим вариантам позволит создать условия получения доброкачественной структуры, а также определить границы, за которыми возникает дефект «белая полоса». Обозначив данную зависимость, можно более точно определить область значений технологических параметров, недопустимых при назначении рекомендаций для разработки технологий на изготовление штамповок титановых лопаток. По номограмме 1 (рис. 3.37) в зависимости от исходных данных при штамповке: – температуре нагрева заготовки (Т°С); – степени деформации (ε %); – коэффициенте трения (Ктр.) определяется локальная степень деформационного поля, а по ней – внутренняя деформационная температура. Результаты деформации титанового сплава и получаемый класс микроструктуры представлены в таблице 3.9 74 Таблица 3.9 – Результаты деформации титанового сплава Таблица результатов деформации титанового сплава ВТ6. Темпер. деформ. °С Коэфф. Трения, Ктр 0,8 930 0,4 Темпер. Деформац. штампов, разогрев, °С Ԑ%, Т°С 150 Ԑ% Т°С Шт-ки Внутриструктурная степень деформации процесса штампоки , % 30 40 50 60 70 80 44,3 62,5 75,2 83,1 88,5 92,6 933,8 944,5 954,0 963,0 972,0 985,0 Класс микроструктуры "А" "А" "А" "В" "С" "С" 44,0 933,7 61,5 944,3 73,0 951,0 80,3 958,0 85,7 966,0 90,4 978,0 "А" "А" "А" "В" "С" "С" 40,7 932,3 55,2 941,4 63,6 946,0 70,1 953,0 76,6 961,0 83,1 971,0 "А" "А" "А" "А" "В" "С" 44,4 921,6 62,5 933,4 75,2 943,0 83,1 952,0 88,5 962,0 92,5 978,0 "А" "А" "А" "В" "В" "С" 44,0 921,4 61,7 933 73,3 941,0 80,4 947,0 85,8 956,0 90,5 969,0 "А" "А" "А" "В" "В" "С" 40,8 920 55,4 930 63,8 937,0 70,3 945,0 76,6 953,0 83,2 965,0 "А" "А" "А" "А" "В" "В" 44,4 909,5 62,6 922,1 75,2 932,0 83,2 945,0 88,5 952,0 92,6 967,0 "А" "А" "А" "А" "В" "С" 44,1 909,4 61,8 921,8 73,4 931,0 80,6 939,0 85,9 945,0 90,6 961,0 "А" "А" "А" "А" "В" "С" 40,8 907,8 55,6 918,6 63,6 927,0 69,8 930,0 76,9 940,0 83,3 955,0 "А" "А" "А" "А" "А" "В" 200 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры 0,1 250 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры 0,8 150 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры 915 0,4 200 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры 0,1 250 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры 0,8 150 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры 900 0,4 200 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры 0,1 250 Шт-ки Ԑ% Т°С Класс микроструктуры "А" Класс микрозерна в структуре титановой лопатки компрессора, согласно DMF 90527-01, допускается по всем поверхностям "В" Допустимость микроструктуры определяется в зависимости от зон на лопатках, где была выявлена индикация (см. DMF 90518-01) "С" Класс микрозерна в структуре титиновой лопатки компрессора не допустим По данным номограммы 1 (рис. 3.37) можно оценить получаемую структуру при заданных параметрах технологического процесса. 75 По графику деформационного поля видим получаемые значения на графике температурного поля и соответствующий им класс структуры. Теперь с учетом данных по структурному состоянию, полученному в результате проведенных исследований с оценкой макро- и микроструктуры по узловым технологическим параметрам процесса горячей штамповки титанового профиля из материала ТА6V, можно номограмму представить в полном объеме в виде номограммы 2 (рис. 3.38), когда по внешним параметрам штамповки, видим полученные результаты структурного формирования. В этом случае, корректируя исходные данные, необходимо добиться требуемых результатов по необходимой структуре, исключая образования нежелательной структурной неоднородности. [9]. Для прогнозирования разрабатываемого технологического процесса штамповки из титанового материала ТА6V задаем расчетную степень деформации, температуру заготовки, коэффициент трения, определяемого по температуре штампа и смазке, и по соответствующему графику номограммы №1 получаем данные по локальной внутриструктурной степени деформации и внутренней деформационной температуре. Далее по таблице 3.9 можно предварительно прогнозировать получаемую структуру по соответствующим характеристикам микрозерна от класса «А» до «С». При получении недопустимых структур в профиле необходимо произвести пересчет исходных данных и при необходимости вводим дополнительный предварительный переход штамповки. Так как данные по достижению вероятной зѐренной структуры соответствующего класса в локальных, наиболее напряженных местах деформационного пространства детали в таблице 3.9 представлены отдельными дискретными значениями, то для оценки эволюции структуры из класса «А» в класс «В» и класс «С» разработаем графическую зависимость (рис.3.39). 76 Рисунок 3.38 – Номограмма 2: влияние технологических параметров процесса штамповки на формирование структуры титанового сплава 77 Рисунок 3.39 – График разделения класса микроструктуры «А» и «В» Расчет будем производить на примере разработки технологии изготовления титановой лопатки из материала ТА6V горячей штамповкой на электровинтовом прессе модели РА 325f ус. 1100тс и изотермической калибровкой на гидропрессе. Для более удобного практического анализа правильности назначения исходных деформационных данных цеховыми технологами разработали математические формулы определения зависимости локальной степени деформационного поля от температуры деформации, коэффициента трения и начальной степени деформации (3.1). лок 38,2 0,004Т деф 15,8 f тр 0,6 нач , (3.1) где Т деф – температура деформации, С; f тр – коэффициент трения; нач – начальная степень деформации, %; коэффициент детерминации: R2 = 0,936 По полученным данным о величинах локальной степени деформационного поля рассчитываем зависимость внутренней деформационной температуры от температуры деформации, коэффициента трения, начальной степени деформации и локальной степени деформационного поля (3.2): 78 Tвнутр 292 0,65Т деф 15,5 f тр 1,1 нач 0,07 лок (3.2) где лок – локальная степень деформационного поля, %; Т деф – температура деформации, С; f тр – коэффициент трения; нач – начальная степень деформации, %; коэффициент детерминации: R2 = 0,976 Моделирование процесса штамповки будем проводить по двум вариантам: I вариант – за один переход штамповки; II вариант – за два перехода штамповки По полученным данным по рисунку 3.40 определяем зону класса микрозерна. Для практического более широкого определения возникновения соответствующего класса будем использовать разделенные графики определения класса микрозерна «А» или «В», или «С» (рис. 3.39 – 3.40). Рисунок 3.40 – График разделения класса микроструктуру «А» и «В». Анализ представленных на рисунках 3.40 – 3.41 графиков показывает, что при определенных сочетаниях локальной степени деформации и внутри деформационной температуры, можно предусмотреть получение соответствующей макроструктуры с микрозерном класса «А» и класса «В». 79 Рисунок 3.41 – График разделения класса микроструктуры «В» и «С» по I варианту Анализ представленных на рисунках 3.40 – 3.41 графиков показывает, что при определенных сочетаниях локальной степени деформации и внутри деформационной температуры, можно предусмотреть получение соответствующей макроструктуры с микрозерном класса «А» и класса «В». По номограмме 2 и таблице 3.9 видим, что при степени деформации Ԑ = 69 %, коэффициенте трения 0,4 микроструктура соответствует классу «С», что недопустимо для данной штамповки лопатки. Это отражено на рис. 3.42 – 3.43. По номограмме 3 при исходных данных деформирования: Ԑ = 69 %, Тн = 930 °С, Ктр = 0,4 определяем локальную степень деформирования, которая составляет 85 %, а внутридеформационная температура – 967 °С. В подтверждении адекватности разработанных математических формул определяем локальную степень деформации и внутридеформационную температуру по зависимостям 3.1 и 3.2 соответственно. лок 38,2 0,004 930 15,8 0,4 0,6 69 82,2% Т в нутр 292 0,65 930 15,5 0,4 1,1 69 0,07 82,2 973 ºС 80 Рисунок 3.42 – Номограмма 3: влияние заданной степени деформации коэффициентов трения и температуры на внутрипрофильное деформационное и температурное состояние, формирующее структуру профиля 81 Рисунок 3.43 – График разделения класса микроструктуры «А» и «В» по I варианту По расчетам коэффициент детерминации составляет R2 = 0,6 По рис. 3.43 видим, что область по локальной степени деформирования и внутри деформационной температуре, взятой из номограммы 3, и полученным по математическим формулам находится в зоне получения микроструктуры класса "С". Правомерность использования номограммы и расчетных математических формул по варианту II проводим анализ. По номограмме 2 и таблице 3.9 видим, что при степени деформации Ԑ = 50 %, коэффициенте трения 0,4 микроструктура соответствует классу «А», что требуется для данной штамповки лопатки (рис 3.42 и 3.44). По номограмме 3 при исходных данных деформирования: Ԑ = 50 %, Тн = 930 °С, Ктр = 0,4 определяем локальную степень деформирования, которая составляет 73 %, а внутридеформационная температура – 950 °С. По разработанным математическим зависимостям 3.1 и 3.2 для варианта II определяем локальную степень деформации и внутридеформационную температуру. Они принимают следующие значения 82 лок 38,2 0,004 930 15,8 0,4 0,6 50 70,8% Т внутр 292 0,65 930 15,5 0,4 1,1 50 0,07 70,8 953 ºС По расчетам коэффициент детерминации составляет R2 = 0,29. Рисунок 3.44 – График разделения класса микроструктуры «А» и «В» по II варианту По проведенному анализу вероятного получения структуры штамповки из титанового сплава по II-му варианту из рис. 3.44 наглядно видим, что область по локальной степени деформирования и внутри деформационной температуре, взятой из номограммы 2, и полученным по математическим формулам находится в зоне получения микроструктуры класса «А». 3.4 Выводы по главе 3 1. По рассмотренным схемам компьютерного моделирования процесса разработана технология штамповки, позволяющая достичь бездефектной структуры 2. Для обеспечения достоверности назначения исходных деформационных данных цеховыми технологами разработаны математические формулы определе- 83 ния зависимости локальной степени деформационного поля от температуры деформации, коэффициента трения и начальной степени деформации 3. На основе анализа влияния заданной степени деформации, коэффициентов трения и температуры на деформационное и температурное состояние, формирующее структуру профиля, сформулированы рекомендации по выбору температуры предварительного нагрева, позволяющие получить бездефектную структуру. 84 ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ По проведенному моделированию в программе QForm 3D выбираем Min необходимое количество вариантов и проводим работу на натурных образцах в производственных условиях с выполнением металлургических исследований, подтверждающих по макро и микроструктуре правильность выбранного варианта, исключающего дефект в виде белой полосы. 4.1 Анализ структуры титановых образцов по различным схемам штамповки Для определения критических степеней деформации проводим осадку образцов из материала ТА6V, согласно таблице 3.1 и схеме 1, представленной на рис. 3.1, с проверкой макро и микроструктуры для нахождения структурного дефекта в виде белой полосы и еѐ оценки по микроструктуре. По макроструктуре на рис. 4.1 – 4.4 видно, как зарождается белая полоса и, в зависимости от внешних факторов, значительным из которых является степень деформации, как эта полоса в виде светлой индикации видоизменяется внешне в виде полос «линий сдвига». Рисунок 4.1 – Макроструктура Рисунок 4.2 – Микроструктура материала исходного прутка исходного прутка, х500 Микроструктура по линии сдвига в зависимости от тех же внешних факторов меняется и даѐт оценку на допустимость использования данной структуры. 85 На рис. 4.3 структура, полученная при температуре 900 °С и 930 °С, коэффициентах трения 0,8; 0,4; 0,1 и степени деформации образцов ε = 50 % соответствует требованиям КД чертежа штамповок титановых лопаток компрессора. Рисунок 4.3 – Макроструктура образца со степенью осадки 50 % На рис.4.3 и 4.4 при ε = 50 % и ε = 60 % анализ макро- и микроструктуры проводился на шлифах согласно инструкции ВИАМ «Металлургические анализы титановых сплавов» ПИ1.2.785-2009. В соответствии с требованиями ПИ1.2.19082 «Штамповка лопаток из титановых сплавов» для изготовления штамповок лопаток должен использоваться пруток, поступающий по ОСТ1.90006-86, согласно требованиям которого макроструктура исходного материала должна быть не более 4 балла, микроструктура исходного материала должна соответствовать при диаметре до 50 мм 1…5 типам шкалы №2 указанного ОСТ. Рисунок 4.4 – Макроструктура образца со степенью осадки 60 % Макроструктура исходного материала прутка имеет матовый серый фон, однородная по всему сечению, мелкозернистая, соответствует 1-2 баллу 10балльной шкалы макроструктур титановых сплавов и является удовлетворительной согласно требованиям НТД. Микроструктура материала исходного прутка имеет пластинчато- глобулярное строение: представляет собой выделения достаточно крупных глобу- 86 лей ά-фазы на фоне мелкопластинчатой (ά +β)-матрицы. Такая структура соответствует ~2-2а типу шкалы №1 микроструктур титановых сплавов. Просмотр темплетов из поперечной срединной части всех осаженных образцов показал, что макроструктура их в целом имеет серый матовый фон, мелкозернистая, соответствует ~2баллу 10-балльной шкалы макроструктур титановых сплавов и по инструкции ВИАМ ПИ1.2.279 является удовлетворительной. В центральной части всех четырех образцов в зоне деформационного перегрева (согласно данным таблицы 3.1), наблюдается индикация в виде светлой поперечной полосы, а также линий «течения металла» от центра к периферии. Интенсивность указанной индикации, ее размеры по внешнему виду на макротемплетах зависят от степени деформации образца. При степени деформации 50 % и 60 % индикация в средней части сечения размытая, еле заметная (рис. 4.3 –4.4). При степени деформации 70 % и 80 % индикация интенсивная, имеет четкие очертания в виде узкой линейной зоны в центре образца и отходящих от нее к поверхности на периферии в виде лучей трассирующих линий. Внешний вид макроструктуры после деформации 70 % и 80 % с индикацией приведен на рис. 4.5 и 4.6. Рисунок 4.5 – Макроструктура образца со степенью осадки 70 % 87 Рисунок 4.6 – Макроструктура образца со степенью осадки 80 % Для признания пригодности макроструктуры, имеющей светлые индикации в виде полос «линий сдвига», проверяют микроструктуру в соответствии с DMF 90527-01 на класс «А», «В» или «С». Для сведения: класс «А» в микроструктуре материла допускается по всем поверхностям, класс «С» не допустим. В соответствии с DMF 90519-01 допустимость микроструктуры класса «В» определяется в зависимости от зон на лопатках, где была выявлена индикация (см. DMF 90519-01 приложение 2). Просмотр микрошлифов из представленных образцов показал, что структуры сердцевины материала на удалении от зон с индикацией после всех степеней деформации практически идентичны между собой и мало отличаются от структуры исходного материала: такие же выделения глобулярной ά-фазы на фоне мелкопластинчатой (ά+β)-матрицы, соответствует 2…2а типу шкалы №1 микроструктур титановых двухфазных сплавов (рис. 4.7). В зоне выявленной индикации на образцах со степенью осадки 50 % и 60 % наблюдаются признаки течения металла при деформации в виде более вытянутой альфа-фазы, структура соответствует 2…3 типу шкалы. Макро- и микроструктура соответствует требованиям нормативно-технической документации и считается удовлетворительной (рис 4.8). 88 Рисунок 4.7 – Микроструктура сердцевины материала деформированных образцов, х 500 89 Рисунок 4.8 – Микроструктура в зоне индикации ε = 60 % На микрошлифах с большей степенью деформации (70 % и 80 %) наблюдается микроструктурная неоднородность (рис. 4.9 – 4.10). В зоне светлой индикации, в зоне линий интенсивного течения металла, имеющей достаточно четкую границу с сердцевиной материала, наблюдается растворение ά -фазы, повидимому, связанное с зональным деформационным перегревом практически до температуры полиморфного превращения и выше (Т = 970 – 985 °C). Различная дисперсность продуктов распада ά - и β-фаз в указанной зоне и может быть причиной появления светлых или темных пятен на основном фоне, т.е. быть причиной выявленной индикации. На образцах, деформированных со степенью осадки 70% и 80%, по макроструктуре наблюдается интенсивная индикация в виде светлых зон «линий сдвига» в центральной части образца и по трассирующим линиям. На образцах со степенью осадки 70% и 80% наблюдается микроструктурная неоднородность материала, связанная с температурно-деформационным процессом. 90 Рисунок 4.9 – Внешний вид фрагмента образца с индикацией при ε = 70 % Рисунок 4.10 – Микроструктура в зоне индикации при ε = 80 % Таблица 4.1 – Результаты деформации титановых сплавов заготовок из материала TA6V ø 20 мм, L = 60 мм при осадке на плоском штампе, Температура штамп.., ºС Поперечный разрез пр-ля образ. 2 3 4 Клей м. 0,8 Состоян.стр-ры 0,1 5 Класс «А» ? Класс «В» 25 Класс «С» 29 Состоян.стр-ры 200 Клей м. 250 900 Клей м. 0,4 доброкачественная Состоян.стр-ры 0,8 150 Клей м. 8 1 Состоян.стр-ры 250 Клей м. 0,1 50 (10мм) Макро- и микроструктура в средине образца Поперечное сечение (микро при увеличении х200) Микро (на удале- Микро (по лиМакро нии) нии сдвига) 5 6 7 Состоян.стр-ры 200 930 Клей м. 0,4 Степень деформации по Сmax, % Состоян. стрры Коэф. трения, Ктр 1 150 Темп. деформ. ºС 91 30 92 Таблица 4.2 – Результаты деформации титановых сплавов заготовок из материала TA6V ø 20 мм, L = 60 мм при осадке на плоском штампе (степень дефор- Температура штампа, ºС Поперечный разрез пр-ля образ. 0,8 150 Клейм. Степень деформации по Сmax, % 60 (8мм) Макро- и микроструктура в средине образца Поперечное сечение (микро при увеличении х200) Микро (на удале- Микро (по лиМакро нии) нии сдвига) 2 Состоян. стрры Коэф. трения, Ктр Темп. деформ. ºС мации 60 %) Состоян.стрры 0,1 Класс «В» 26 Класс «С» 30 Состоян.стр-ры 200 Клейм. 250 900 Клейм. 0,4 10 Состоян.стр-ры 150 Клейм. 0,8 Класс «А» Состоян.стр-ры 250 Клейм. 0,1 6 Состоян.стр-ры 0,4 200 930 Клейм. доброкачественная 34 93 Темп. деформ. ºС Коэф. трения, Ктр Температура штамп.., ºС Поперечный разрез пр-ля образ. Таблица 4.3 – Результаты деформации титановых сплавов заготовок из материала TA6V ø 20 мм, L = 60 мм при осадке на плоском штампе (степень деформации 70 %) 25 0 0,1 11 Класс «В» 27 Класс «С» 31 200 Состоян.стрры 900 Кле йм. 0,4 Класс «А» Состоян.стр-ры 150 Кле йм. 0,8 7 Состоян.стр-ры 250 Кле йм. 0,1 доброкачественная Состоян.стр-ры 200 930 Кле йм. 0,4 3 Состоян. стрры 0,8 150 Кле йм. Степень деформации по Сmax, % 70 (6 мм) Макро- и микроструктура в средине образца Поперечное сечение (микро при увеличении х200) Микро (на удале- Микро (по лиМакро нии) нии сдвига) Кле йм. 28 Состоян.стрры 94 Темп. деформ. ºС Коэф. трения, Ктр Температура штамп.., ºС Поперечный разрез пр-ля образ. Таблица 4.4 – Результаты деформации титановых сплавов заготовок из материала TA6V ø 20 мм, L = 60 мм при осадке на плоском штампе (степень деформации 80 %) 25 0 0,1 12 Класс «В» 20 Класс «С» ? 200 Состоян.стрры 900 Кле йм. 0,4 Класс «А» Состоян.стр-ры 150 Кле йм. 0,8 ? Состоян.стр-ры 250 Кле йм. 0,1 доброкачественная Состоян.стр-ры 200 930 Кле йм. 0,4 4 Состоян. стрры 0,8 150 Кле йм. Степень деформации по Сmax, % 80 (4 мм) Макро- и микроструктура в средине образца Поперечное сечение (микро при увеличении х200) Микро (на уда- Микро (по лиМакро лении) нии сдвига) Кле йм. ? Состоян.стрры 95 Допустимость выявленных индикаций по микроструктуре с такими степенями деформации в соответствии с DMF 90519-01, когда определяется класс «В» может рассматриваться в зависимости от зон на лопатках, где была выявлена индикация. А микроструктура класса «С» не допускается. Результаты деформации при различных внешних условиях: температуры, граничного трения, самой степени деформации с получением макро- и микроструктуры приведены в таблицах 4.1 –4.4. Для расширения представления о структурном изменении исходного состояние заготовки при горячей штамповке титановых сплавов исследуем макро- и микроструктуру образцов после деформации исходного прутка ø 20 мм , L = 60 мм по образующей со степенью деформации 30 % и 40 % (Табл. 4.5). Таблица 4.5 – Результаты деформации титановых заготовок из материала 0,8 (1) 930 0,4 (2) 0,1 (3) 200 Степень деформации процесса по обраобразца Место вырезки штамп., ºС Температура Ктр Коэф. трения, ºС Темп. деформ. TA6 ø = 20 мм, L =60 мм при осадке по образующей зующей, % 30 (14 мм) (1) 40 (12 мм) (2) Клеймение 111 112 121 122 131 132 При контроле макроструктуры на всех исследуемых 4-х образцах наблюдаются слабо выраженные (видимые только при определенных углах падения света) светлые индикации в виде полос «линий сдвига», расположенные по диагонали вдоль всей поверхности микрошлифа («крест накрест») (рис. 4.11 – 4.14). 96 Рисунок 4.11 – Вид светлых индикаций Рисунок 4.12 – Вид светлых индикаций «линий сдвига» в макроструктуре об- «линий сдвига» в макроструктуре об- разца №121 (индикации обозначены разца №131 (индикации обозначены стрелками) стрелками) Рисунок 4.13 – Вид светлых индикаций Рисунок 4.14 – Вид светлых индикаций «линий сдвига» в макроструктуре об- «линий сдвига» в макроструктуре об- разца №122 (индикации обозначены разца №132 (индикации обозначены стрелками) стрелками) При просмотре на оптическом микроскопе микрошлифов, изготовленных из образцов, установлено, что микроструктура исследуемых образцов №121, №122 и №131, №132 по линии сдвига имеет аналогичный характер и соответствует классу «А», что является допустимым по всем поверхностям (рис. 4.15 – 4.18). Рисунок 4.15 – Вид микроструктуры материала образца №121. Увеличение х 200 97 Рисунок 4.16 – Вид микроструктуры материала образца №122. Увеличение х 200 Рисунок 4.17 – Вид микроструктуры материала образца №131. Увеличение х 200 Рисунок 4.18 – Вид микроструктуры материала образца №132. Увеличение х 200 Из проделанной работы по исследованию образцов после горячей штамповки со степенью деформации 30 % и 40 % при ковочных температурах с разными 98 коэффициентами трения видим, что макро- и микроструктура является допустимой по всем поверхностям. Изотермическая калибровка при степени деформации 20 % после штамповки на электровинтовом прессе со степенью деформации 60 % и 70 % по макро- и микроструктуре формирует удовлетворительную структуру. Структуру горячей штамповки при степени деформации 80 % исправить до класса «А» не представляется возможным. Микроструктура получается класса «В» и «С». Определить допустимость выявленной индикации по микроструктуре образца не представляется возможным, так как в соответствии с DMF 90519-01 допустимость микроструктуры класса «В» определяется в зависимости от зон на лопатках, где была выявлена индикация (См. DMF 90519-01 приложение 2). Класс «С» недопустим. Изотермическая калибровка при меньших степенях деформации применительно для предварительной горячей штамповки на эл. винтовом прессе при степени деформации 60 %, 70 % и 80 % представлена в таблице 4.6 Таблица 4.6 – Структура образцов при изотермической калибровке Предварительная горячая штамповка на эл. винтовом Изотермическая калибровка, ε% 20 15 10 5 Горячая прессе, ε % 60 70 80 Клеймение, класс микроструктуры по DMF 90527-01 «А»,«В»,«С» №11 «А» №21 «А» №31 «В» №12 «А» №22 «В» № 32 «В» №13 «А» №23 «В» №33 «С» №14 «А» №24 «В» № 34 «С» калибровка, ε % 20 – №22г «В» – 15 – №21г «В» – Вид светлой индикации «линии сдвига» в макроструктуре образцов № 11, № 21, № 31 по схеме №2 представлен на рис. 4.19 – 4. 21. 99 Рисунок 4.19 – Вид светлой индикации «линии сдвига» в макроструктуре образца №11 по схеме №2 (индикация обозначена стрелками) Рисунок 4.20 – Вид светлой индикации «линии сдвига» в макроструктуре образца №21 по схеме №2 (индикация обозначена стрелками) Рисунок 4.21 – Вид светлой индикации «линии сдвига» в макроструктуре образца №31 по схеме №2 (индикация обозначена стрелками). Просмотрим на оптическом микроскопе микрошлифы, изготовленные для оценки микроструктуры материла после предварительной штамповки и окончательной калибровки образцов (рис. 4.22 – 4.24) 100 Х 200 Х 200 Рисунок 4.22 – Вид микроструктуры материала образца №11 Х 200 Х 200 Рисунок 4.23 – Вид микроструктуры материала образца №21 Х 200 Х 200 Рисунок 4.24 – Вид микроструктуры материала образца №31 101 Рисунок 4.25 – Вид светлой индикации Рисунок 4.26– Вид светлой индикации «линии сдвига» в макроструктуре об- «линии сдвига» в макроструктуре об- разца №12 (индикация обозначена разца №22 (индикация обозначена стрелками) стрелками) Рисунок 4.27 – Вид светлой индикации Рисунок 4.28 – Вид светлой индикации «линии сдвига» в макроструктуре об- «линии сдвига» в макроструктуре об- разца №22г (индикация обозначена разца №32 (индикация обозначена стрелками) стрелками) Рисунок 4.29 – Вид микроструктуры материала образца №12 при х 200 102 Рисунок 4.30 – Вид микроструктуры материала образца №22 при х 200 Рисунок 4.31 – Вид микроструктуры материала образца №32г при х 200 Работа, проведенная по схеме №2 с результатами макро- и микроструктуры с рис. 4.19 по рис. 4.31 показала возможности достижения требуемой структуры после первого перехода штамповки на эл. винтовом прессе и последующей калибровки в изотермических условиях с приемлемыми для производства степенями деформации. Но изотермия не всегда экономически целесообразна и для роботизации процесса штамповки затруднительна. Поэтому задачей ставим внедрение процесса штамповки титановых лопаток горячей штамповкой на эл. винтовом прессе с последующей роботизацией. Результаты проведенного анализа структур по табл. 4.1 – 4.4, представлены в сводной табл. 4.7. 103 Таблица 4.7 – Сводная таблица результатов деформации титановых сплавов заготовок из материала TA6V ø 20 мм, L = 60 мм при осадке на плоском штампе 104 4.2 Планирование эксперимента После проведения анализа результатов моделирования ТП объемной штамповки титановых сплавов на электровинтовом прессе был разработан план работ по выполнению этой работы на образцах из титанового сплава ТА6V. План работ представим в виде сетки проведения экспериментов, оформленной блок - схемой рисунок 4.32. Заготовка ТА6V Ф20мм, L=60 мм. Кол-во 54 шт. Штамповка при 930°С с деформацией ε% 30 40 50 60 Ктрения 0,8 (Тштампа 150°С; Без смазки) 70 80 Штамповка при 915°С с деформацией ε% 30 40 50 60 70 80 Ктрения 0,4 (Тштампа 200°С; Смазка инстр.) Штамповка при 900°С с деформацией ε% 30 40 50 60 70 80 Ктрения 0,1 (Тштампа 250°С; Смазка инстр. и штампа) Рисунок 4.32 – Блок - схема проведения работы по анализу структурной неоднородности при деформировании титанового сплава ТА6V по макро и микроструктуре Данные этой работы по запланированным комбинациям деформационного процесса с полученными результатами структурного анализа по возможным переходам штамповки занесем в таблице 4.8. Для понимания проведенной работы и логической оценки результатов структурной неоднородности отразим полученные данные в удобной форме с указанием критических значений технологической деформации и фото микроструктур (см. таблицу 4.7) 105 Таблица 4.8 – Таблица результатов деформации титанового сплава TA6V Температура деформации, °С Коэффициент Температура трения, штампов, Ктр °С Класс микрозерна в структуре титанового сплава, согласно DMF 90527-01 при деформации ε% 30 930 915 900 0,8 0,4 0,1 0,8 0,4 0,1 0,8 0,4 0,1 150 200 250 150 200 250 150 200 250 40 от 30 до 80 50 60 70 80 А Имея достаточную информацию, отраженную в таблицах № 3.9 и № 4.7, можем провести объективный анализ по причинам возникновения структурной неоднородности при разработке технологического процесса штамповки за один переход деформации на операции объемной штамповки в размер ТД чертежа. Для внедрения ТП штамповки титановых лопаток без припуска по перу потребуется выполнять деформации в значительных величинах, при которых в зависимости от различных комбинаций критических параметров могут возникать неблагоприятные варианты деформационных процессов. В этих крайних комбинациях возможно появление структурной неоднородности, что можно видеть при анализе данных таблиц. Поэтому очевиден вывод от проведенной работы, что для обеспечения стабильного ТП изготовления штамповок титановых лопаток без припуска по профилю пера объемной штамповкой на электровинтовом прессе требуется рассматривать двух переходную штамповку. Тогда в технологическом процессе штамповки титановых сплавов для достижения требуемой точности и необходимого сочетания механических свойств рекомендуется, применять двух переходное деформирование. 106 При штамповке лопаток степени деформации между первым и вторым переходами распределяются в зависимости от достижения требуемой структурной неоднородности. Для разработки рекомендаций распределения степени деформаций между первым и вторым переходами штамповки титановых компрессорных лопаток необходимо провести опытную работу, по результатам которой определится степенное деформационное соотношение между переходами, при которых достигается максимальная эффективность штамповки и, главное, обеспечивается требуемая технологичность, механические свойства и структурная однородность, этапы работы показаны на рисунке 4.33. 107 Рисунок 4.33 –Этапы проведения работы на ступенчатом образце по прослеживанию изменения структуры титановых сплавов по переходам штамповки на винтовом прессе PSS480f. При штамповке заготовки на заданную степень деформации с определенной температуры при выбранном коэффициенте трения возникает внутри деформационный разогрев, который приводит, за счет возросшей локальной степени деформации, к внутреннему местному температурному разогреву, вызывающей при критических условиях структурную неоднородность. Критическими условиями могут быть: - заданная степень деформации; - начальная температура нагрева заготовки; - коэффициент трения, который зависит от создаваемых внешний условий (температуры штампов, шероховатости гравюры, используемой смазки, скорости деформации, времени процесса и др. факторов). Для прослеживаемости процесса формирования структурной неоднородности по переходам штамповки проведем работу рисунок 4.33 на образцах из материала ТА6V рисунок 4.34. Первый переход штамповки выполним при температуре 930±10°С со степенями деформации ε от 60 до 85%. 108 85% 60% 65% 70% 80% 75% Рисунок 4.34 – Внешний вид исследуемых образцов после вырезки После вырезки на гидроабразиве образцов из них в указанных маркером местах на рисунке 4.34 были изготовлены макрошлифы степень деформации на образцах первого перехода составила 60% и 80%. На макрошлифах рисунок 4.35 всех образцов, в центральной части выявлена структурная неоднородность в виде размытых светлых полос в виде линий сдвига. Далее были изготовлены микрошлифы рисунок 4.36. Рисунок 4.35 – Макроструктура образцов по линии сдвига 60% 85% Рисунок 4.36 – Микроструктура образцов по линии сдвига. Увеличение 100 С целью определения степени деформации на втором переходе из заготовок первого перехода от каждой степени деформации (60% - 85%) изготовили образ- 109 цы со ступеньками по высоте (одно и двухсторонние) для достижения при втором переходе необходимой степени деформации от 25% до 45%, рисунок 4.37 Рисунок 4.37 – Эскизы образцов второго перехода со степенями деформации 25% - 45%, одностороннего – слева и двустороннего – справа Рисунок 4.38 – Внешний вид двухстороннего ступенчатого образца под осадку второго перехода со степенями деформации от 25% до 45% Проведенная опытная работа на образцах первоначально была апробирована в программе моделирования деформационных процессов Q-Form 3D. Ниже приведены поперечные сечения осаженных образцов с односторонними ступеньками в высотах от 2,5 - 3,3 - 3,6 - 3,8 - 4,1 - 4,5 мм, также показано распределение температурного поля внутри образца, рисунок 4.39. 2,5 110 От 3.6мм до 2,5мм (ε=30%) От 4,1мм до 2,5мм (ε=40%) От 4,5мм до 2,5мм (ε=45%) От 3,8мм до 2,5мм (ε=35%) От 3,3мм до 2,5мм (ε=25%) Продольный разрез заготовки после нагрева и укладки в штамп для деформации Рисунок 4.39 – Поперечное сечение осаженной заготовки в Q-Form 3D с видом температурного поля. 111 Рисунок 4.40 – Внешний вид штамповки после 2-го перехода степень деформации 65% Б А А Б А-А Рисунок 4.41 - Продольный разрез заготовки после штамповки на размер 2,5 мм со степенями деформации по участкам от 25% до 45%. (ε=30%) (ε=40%) (ε=45%) (ε=35%) (ε=25%) Разделенное фото продольного вида заготовки (ε=30%) (ε=45%) (ε=40%) (ε=35%) (ε=45%) (ε=25%) Рисунок 4.42 – Поперечное сечение осаженной заготовки в Q-Form 3D 112 В таблицу №4.9 класса микроструктуры, занесем результаты «проверки класса» микроструктуры после первого перехода штамповки по шести вариантам деформации от 60 до 85% и после второго перехода штамповки по пяти вариантам на 25; 30; 35; 40; 45%. Для этого после изготовления ступенчатых образцов деформацию на электровинтовом прессе PSS480f усилием 2600тс выполнили на один высотный размер 2,5 мм. При этом на втором переходе достигалась по сечениям образца различная степень деформации от 25 до 45% деформации. На макрошлифах образцов первого перехода (60% - 85%) после второго перехода, рассматривали структурную неоднородность в виде размытых светлых полос разной интенсивности - линии сдвига при штамповке. Такое сочетание интенсивности деформации первого и второго перехода на образцах по микроструктуре позволило составить таблицу состояния микроструктуры №4.10. Схема деформации образцов при втором переходе на двухступенчатых образцах является более соответствующей деформационному состоянию при штамповке лопаток на втором переходе. Данные металлургического исследования образцов после второго перехода на образцах по двухсторонней схеме деформации приведены в таблицах класса и состояния микроструктуры (смотри таблицы №4.9 и №4.10). При разработке технологического процесса штамповки титановых лопаток без припуска по профилю пера по данным таблиц №8 и №9 видим, что при высоких степенях деформации на первом переходе штамповки мы получаем микроструктуру не удовлетворяющую требованиям КД. И только после деформирования на втором переходе после определенной деформации (25-35)% мы достигаем необходимой структурной неоднородности, разрешенной КД. 113 Таблица 4.10 – Таблица состояния микроструктуры 1-й переход (ε%) 60 65 70 75 80 85 Класс микростр. после 1-го перехода В В С С С С Класс микроструктуры Класс микроструктуры после второго перехода (при ε%) 25 30 35 40 45 А А А А А В-С А А А А А В-С А-В А-В А-В А-В А-В В В В В В В В-С В В В В В В-С Таблица 4.9 – Таблица класса микроструктуры Таблица 4.10 – Таблица состояния микроструктуры 114 4.3 Экспериментальная проверка математической модели получения требуемой структуры материала при штамповке титановых сплавов на электровинтовом прессе Для проверки достоверности достижения требуемой структуры по результатам номограммы 2 проведем расчет на примере разработки технологии изготовления титановой лопатки из материала ТА6V горячей штамповкой на электровинтовом прессе модели РА 325f ус. 1100тс (рис. 4.42) и изотермической калибровкой на гидропрессе. Работу проводим по двум вариантам: I вариант – за один переход штамповки; II вариант – за два перехода штамповки. Рисунок 4.42 – Электровинтовой пресс Рисунок 4.43 – Электрическая кару- мод. РА 325f ус. 1100тс сельная печь ELRH 1200 115 I – вариант Штамповку проводим с нагревом в эл. печи мод. ELRH 1200 (рис. 4.43) при температуре Тн = 930 °С (τ=20÷25 мин) за один переход на электровинтовом прессе при степени деформации Ԑ = 70 % с последующей изотермической калибровкой. Рисунок 4.44 – Высаженная заго- Рисунок 4.45 – Отштампованная и обрезан- товка ная лопатка направляющего аппарата ГТД При штамповке за один переход из сфасонированной заготовки получаем готовый профиль. Заготовка из Ф16мм штамповалась до Сmax до Н = 5 мм (Ԑ = 69 %). После обрезки облоя – изотермическая калибровка на гидравлическом прессе. Опытные штамповки лопатки совместно с серийными штамповками прошли в термическом цехе вакуумную термообработку с проверкой механических свойств, которые соответствовали требованиям норм для данных лопаток. Контроль макроструктуры и микроструктуры в продольном и поперечном направлениях пера лопаток выявил изменения в структуре, вызванные условиями деформации при данной штамповке, которые являются недопустимыми по нормативным требованиям для данного вида лопаткам. Рисунок 4.46 – Макроструктура пера Рисунок 4.47 – Макроструктура пера ло- лопатки в продольном направлении патки в поперечном направлении 116 Штамповки лопаток получились годными по геометрии, механическим свойствам, содержанию водорода, загрязнению посторонними частицами на пере, но по макро и микроструктуре – недопустимыми по требованиям к ним нормативной документации (рис 4.48, 4.49). Рисунок 4.48 – Микроструктура пера Рисунок 4.49 – Микроструктура пера ло- лопатки в продольном направлении патки в поперечном направлении По первому варианту исследовательской работы проводили прогнозирование получения структуры по номограмме 2, табл. 3.9 и зависимостям (3.1) и (3.2). Данные расчета и эксперимента локального деформационного поля и внутренней деформационной температуры представлены в таблицах 4.11 и 4.12 соответственно. Таблица 4.11 – Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных локальной степени деформационного поля Локальная степень деформационного поля, % Эксперимент Расчет 63,57 66,06 Температура деформации, °С Коэффициент трения 930,00 0,10 Начальная степень деформации, % 50,00 930,00 0,10 60,00 70,10 72,06 2,79 930,00 0,10 70,00 76,55 78,06 1,97 930,00 0,10 80,00 83,09 84,06 1,16 Погрешность расчета, % 3,92 117 Температура деформации, °С Коэффициент трения 930,00 0,40 Начальная степень деформации, % 50,00 Локальная степень деформационного поля, % Эксперимент Расчет 73,05 70,80 930,00 0,40 60,00 80,26 76,80 4,31 930,00 0,40 70,00 85,70 82,80 3,39 930,00 0,40 80,00 90,39 88,80 1,76 930,00 0,80 50,00 75,19 77,12 2,57 930,00 0,80 60,00 83,12 83,12 0,00 930,00 0,80 70,00 88,54 89,12 0,66 930,00 0,80 80,00 92,58 95,12 2,74 915,00 0,10 50,00 63,77 66,12 3,69 915,00 0,10 60,00 70,28 72,12 2,61 915,00 0,10 70,00 76,64 78,12 1,94 915,00 0,10 80,00 83,16 84,12 1,15 915,00 0,40 50,00 73,26 70,86 3,28 915,00 0,40 60,00 80,39 76,86 4,39 915,00 0,40 70,00 85,83 82,86 3,46 915,00 0,40 80,00 90,50 88,86 1,81 915,00 0,80 50,00 75,22 77,18 2,61 915,00 0,80 60,00 83,08 83,18 0,12 915,00 0,80 70,00 88,52 89,18 0,75 915,00 0,80 80,00 92,54 95,18 2,86 900,00 0,10 50,00 63,64 66,18 4,00 900,00 0,10 60,00 69,79 72,18 3,43 900,00 0,10 70,00 76,85 78,18 1,73 900,00 0,10 80,00 83,26 84,18 1,10 900,00 0,40 50,00 73,44 70,92 3,43 900,00 0,40 60,00 80,60 76,92 4,57 900,00 0,40 70,00 85,94 82,92 3,51 900,00 0,40 80,00 90,58 88,92 1,84 900,00 0,80 50,00 75,25 77,24 2,65 900,00 0,80 60,00 83,22 83,24 0,02 900,00 0,80 70,00 88,47 89,24 0,87 900,00 0,80 80,00 92,56 95,24 2,89 Погрешность расчета, % 3,07 Средняя погрешность 2,42 Максимальная погрешность 4,57 118 Таблица 4.12 – Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных внутренней деформационной температуры Температура деформации, °С Коэффициент трения 930,00 0,10 Начальная степень деформации, % 50,00 930,00 0,10 930,00 Локальная степень деформационного поля, % Внутренняя деформационная температура, °С Погрешность расчета, % Эксперимент Расчет 63,57 946,00 948,60 0,27 60,00 70,10 953,00 964,05 1,16 0,10 70,00 76,55 961,00 975,05 1,46 930,00 0,10 80,00 83,09 971,00 986,05 1,55 930,00 0,40 50,00 73,05 951,00 957,70 0,70 930,00 0,40 60,00 80,26 958,00 968,70 1,12 930,00 0,40 70,00 85,70 966,00 979,70 1,42 930,00 0,40 80,00 90,39 978,00 990,70 1,30 930,00 0,80 50,00 75,19 954,00 963,90 1,04 930,00 0,80 60,00 83,12 963,00 974,90 1,24 930,00 0,80 70,00 88,54 972,00 985,90 1,43 930,00 0,80 80,00 92,58 985,00 996,90 1,21 915,00 0,10 50,00 63,77 937,00 943,30 0,67 915,00 0,10 60,00 70,28 945,00 954,30 0,98 915,00 0,10 70,00 76,64 953,00 965,30 1,29 915,00 0,10 80,00 83,16 965,00 976,30 1,17 915,00 0,40 50,00 73,26 941,00 947,95 0,74 915,00 0,40 60,00 80,39 947,00 958,95 1,26 915,00 0,40 70,00 85,83 956,00 969,95 1,46 915,00 0,40 80,00 90,50 969,00 980,95 1,23 915,00 0,80 50,00 75,22 943,00 954,15 1,18 915,00 0,80 60,00 83,08 952,00 965,15 1,38 915,00 0,80 70,00 88,52 962,00 976,15 1,47 915,00 0,80 80,00 92,54 978,00 987,15 0,94 900,00 0,10 50,00 63,64 927,00 933,55 0,71 900,00 0,10 60,00 69,79 930,00 944,55 1,56 900,00 0,10 70,00 76,85 940,00 955,55 1,65 900,00 0,10 80,00 83,26 955,00 966,55 1,21 900,00 0,40 50,00 73,44 931,00 938,20 0,77 900,00 0,40 60,00 80,60 939,00 949,20 1,09 119 Температура деформации, °С Коэффициент трения 900,00 0,40 Начальная степень деформации, % 70,00 900,00 0,40 900,00 Локальная степень деформационного поля, % Внутренняя деформационная температура, °С Погрешность расчета, % Эксперимент Расчет 85,94 945,00 960,20 1,61 80,00 90,58 961,00 971,20 1,06 0,80 50,00 75,25 932,00 944,40 1,33 900,00 0,80 60,00 83,22 945,00 955,40 1,10 900,00 0,80 70,00 88,47 952,00 966,40 1,51 900,00 0,80 80,00 92,56 967,00 977,40 1,08 Средняя погрешность 1,18 Максимальная погрешность 1,65 Исследовательская работа, проведенная по первому варианту, подтвердила, что при определенных сочетаниях локальной степени деформации и внутри деформационной температуры, можно предусмотреть получение соответствующей макроструктуры с микрозерном класса «А» и класса «В», а при степени деформации Ԑ = 70 %, коэффициенте трения 0,4 микроструктура соответствует классу «С», что недопустимо для данной штамповки лопатки. II – вариант. Для определения влияния двухпереходной штамповки на макро и микроструктуру провели штамповку данной детали за два отдельных перехода со степенями деформации: первый переход Ԑ = 50 %; второй переход Ԑ = 40 % Нагрев заготовки перед первым переходом и нагрев предварительно отштампованной заготовки перед вторым переходом проводилась при температуре Тн = 930 °С (τ=20÷25 мин) Рисунок 4.50 – Внешний вид заготовки со спинки и корыта после предварительной штамповки 120 За первый переход штамповки заготовка была отштампована со степенью деформации Ԑ = 50 %, т.е. из ø 16 мм до 8 мм по Сmax, когда недоштамповка составляла 3,3…3,4 мм. За второй переход штамповали со степенью деформации Ԑ = 40 %, т.е. с 8 мм по Сmax до 5 мм. После обрезки облоя штамповки калибровались в изотермии на гидравлическом прессе Опытные штамповки лопатки совместно с серийными штамповками прошли в термическом цехе вакуумную термообработку с проверкой механических свойств, которые соответствовали требованиям норм для данных лопаток. Контроль макроструктуры и микроструктуры в продольном и поперечном направлении в штамповке после второго перехода со степенью деформации Ԑ = 40 % с наследственной структурой первого перехода с Ԑ = 50 % показал, что наблюдается изменение макроструктуры (рис. 4.51 и рис. 4.53), вызванные общей степенью деформации при первом и втором переходах. Микроструктура в зоне измененной макроструктуры (рис. 4.52 и 4.54) соответствует требованиям, предъявляемым к данному материалу, поэтому штамповка по измененной макроструктуре второго перехода удовлетворяет требованиям документации. Рисунок 4.51 – Макроструктура пера лопаток в продольном направлении 121 Рисунок 4.52 – Микроструктура пера лопаток в продольном направлении Рисунок 4.53 –Макроструктура пера лопаток в поперечном направлении Рисунок 4.54 – Микроструктура пера лопаток в поперечном направлении По проведенному анализу экспериментальных данных по II-му варианту исследовательской работы можно сделать вывод, что область по локальной степени деформирования и внутри деформационной температуре находится в зоне получения микроструктуры класса «А». 122 4.4 Экспериментальные исследования фасонирования заготовок для титановых лопаток выдавливанием на двухкоординатном гидравлическом прессе В данном технологическом процессе и во многих других используется фасонирование заготовок высадкой на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) за несколько переходов, на некоторых заготовках – до 5-6 переходов. При таком количестве переходов возникает необходимость многократных зачисток дефектов по переходам и, конечно же, большая трудоемкость заготовительных операций. Поэтому внедряется новый перспективный способ получения заготовок на прессе модели USP 300/500/500 (рис. 4.55). Штамп для фасонирования заготовок представлен на рис. 4.56 Рисунок 4.55 – Двухкоординатный Рисунок 4.56 – Штамп для фасонирова- высадочный пресс USP 300/500/500 ния заготовок выдавливанием на двухкоординатном высадочном прессе USP 300/500/500 Фасонирование заготовок осуществляется за два перехода: 123 – выдавливание профиля из приемника ø 19 мм в ø 11 мм при степени деформации ε = 66 %. и подсадке цилиндрической профильной части с отдельного нагрева до 7,4 мм при степени деформации ε = 33 %. (Рис.4.57); – подсадка цилиндрической профильной части с отдельного нагрева до 7,4 мм при степени деформации ε = 33 %. Рисунок 4.57 – Заготовка на лопатку с разметкой сечений: 1, 2 – поперечные на профиле пера; 3 – продольные на профиле пера; 4 – продольные на хвостовике При изготовлении штамповок лопаток с припуском под безразмерную обработку профиля пера, операция «Высадка» заменяется на операцию «Выдавливание» за 2 перехода на двухкоординатном высадочном прессе USP 300/500/500 с температурой нагрева Тн = (930±10) ºС. На заготовку перед выдавливанием наносилось ЗСП ЭВТ-24, на штамп распылением наносилось ЗСП G-START (Коэфф. трения Ктр = 0,1). На заготовке выполнена термообработка Т = 700 ºС, 2 часа и травление на удаление альфированного слоя. На макрошлифах, вырезанных по указанным сечениям, в центральной части выявлена структурная неоднородность в виде размытых светлых полос (линии интенсивного течения) (рис 4.58). Микрографический контроль выполнялся на микрошлифах, после травления в реактиве Kroll согласно DMC0090E при помощи микроскопа EPIPHOT200 ф.NIKON. Контроль микрошлифов показал, что заготовка во всех сечениях имеет глобулярную α-β структуру; сегрегаций, перегрева и альфированного слоя не обнаружено. 124 Рисунок 4.58 – Макроструктура заготовки по сечениям. На микрошлифах №3 и №4 с поверхности α-фаза незначительно крупнее, чем в середине сечения (Рис.4.58 – 4.60). а) б) Рисунок 4.58 – Микроструктура заготовки лопатки в сечении 2 (рис. 4.58): а – поверхность сечения; б – в центре сечения 125 а) б) Рисунок 4.59 – Микроструктура заготовки лопатки в сечении 3 (рис. 4.58): а – поверхность сечения; б – в центре сечения а) б) Рисунок 4.60 – Микроструктура заготовки лопатки в сечении 4 (рис. 4.58): а – поверхность сечения; б – в центре сечения В микроструктуре материала заготовки в сечении №3 и №4 обнаружены зоны с измененной (деформированной) структурой класса деформации "А", вызванной штамповкой. Класс деформации определялся в соответствии с эталоном 16 DMF9052701Е. Класс деформации «А» допустим во всех зонах согласно DMF90519-01D. Контроль микрошлифов во всех сечениях показал, что микроструктура лопатки допустима согласно DMF90527-01Е для структуры, образовавшейся при выдавливании (п.5.18). 126 В подтверждение проведенному исследованию обратимся к номограмме. По заданным исходным данным для технологического процесса изготовления заготовок: – степени деформации ε = 66 %; – температуре нагрева заготовки Тн = (930±10) ºС; – коэффициенте трения (смазка штампа и заготовки Ктр = 0,1) находим локальную степень деформационного поля, которая будет равна εлок.деф. = 2%, а внутренняя деформационная структура достигает температуры Твн.деф = 955 ºС, что видно по рис. 4.62 (номограмма) По графику, представленному на рис. 4.61, видим, что при этих характеристиках процесса деформирования (εлок. деф. = 72 % и Твн.деф. = 955 ºС) точка пересечения находится в допустимой зоне получения микроструктуры класса «А», что необходимо для разработанного технологического процесса подготовки заготовки под дальнейшую штамповку что подтвердилось проведенной работой. Рисунок 4.61 – График разделения микроструктуры класса «А» и «В» 127 Рисунок 4.62 – Номограмма: влияние заданной степени деформации, коэффициента трения и температуры (930, 915, 900 ºC) на внутрипрофильное деформационное и температурное состояние, формирующее структуру профиля 128 Разработанная методика прогнозирования процессов штамповки лопаток под безразмерную обработку профиля пера из титановых сплавов, используя номограмму и таблицу микроструктур 3.9, графики, представленные на рис. 3.42 – 3.44, определяющие разделение класса микрозерна "А" или "В", или "С", позволяет для материала ТА6V скорректировать разрабатываемые технологические режимы штамповки для получения качественной микроструктуры. Рассмотренные закономерности формирования структуры титановых сплавов подтверждают возможность достижения регламентированного структурного состояния в используемых сплавах за счет специально разработанных режимов их получения, таких как степени деформации, температуры нагрева заготовки и штампа, защитно-технологической смазки и др. Для применимости данной методики на наиболее распространенные титановые сплавы ВТ3-1, ВТ8 и других потребуется в перспективе проверить по критическим параметрам и, при необходимости, расширить имеющиеся данные. 4.5 Выводы по главе 4 1. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных локальной степени деформационного поля показал достоверность используемой модели для получения бездефектной структуры. 2. Выявлены характеристики процесса деформирования, при которых получаемая структура лопатки находится в допустимой зоне получения микроструктуры класса «А». 3. Внедрение в производство результатов диссертационных исследований по определению оптимального сочетания технологических параметров процесса горячей штамповки позволит повысить показатели качества обрабатываемых лопаток и достичь экономического эффекта. 129 ГЛАВА 5 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 5.1 Разработка методики оптимизации Основной целью оптимизации процесса штамповки лопаток компрессора ГТД является получение требуемой структуры. При назначении режимов обработки следует стремиться к исключению структурной неоднородности. Применение данной методики позволяет выбрать оптимальный режим обработки с точки зрения минимального количества возникновения дефектов. Основными ограничениями, налагаемыми на режим обработки, в данной работе являются: температура заготовки; температура штампа; степень деформации; коэффициент трения. Числовые параметры указанных выше величин подтверждены экспериментально в процессе работы и представлены в таблице 3.9 для сплава ВТ6. Оперируя различными значениями при выборе оптимального режима штамповки можно получить различную структурную неоднородность трех классов А, В, С в зависимости исходных данных, все варианты указаны в таблице 3.9. Поэтому в данной главе укажу предельные значения (выше нельзя) температур и степеней деформации, несоблюдение которых приведет в неисправимому браку – структурной неоднородности категории С, итак: температура заготовки 930 0С; степень деформации 70%; температура штампа 200 0С; коэффициент трения 0,4. Разработана методика получения штамповки с требуемой структурой (Рис. 5. 2) 130 Анализ мирового уровня штамповок лопаток показывает, что для получения заготовок под последующую обработку применяется горячая объемная штамповка в классическом ее понимании т.е. механический пресс (кривошипный или электровинтовой), нагрев заготовки в печи и обрезка облоя. Такая схема применяется для всех марок сталей и сплавов, а также для всей гаммы титановых сплавов, таких как TA6V, ВТ6, ВТ20 и других. В отечественном производстве лопаток ГТД существует дифференцированный подход в зависимости от материала титана и технологии дальнейшей обработки: лезвийной, ЭХО или под адаптивное полирование («бесприпусковая штамповка»). Однако наибольшую популярность получила изотермическая штамповка, ее особенности указаны в главе 1 и 2. Несмотря на бесспорные преимущества, такие как малое усилие деформирования, качественная структура, есть и существенные недостатки, которые снижают себестоимость заготовки и готовой лопатки – применение в качестве штампов литейного сплава ЖС6У. Сплав механически не обрабатывается, только электроэррозионным способом, число компаний – поставщиков заготовок для штампов резко ограничена в виду специфики получения отливок. Относительно низкая стойкость штампов, по сравнению со стойкостью штампов при горячей объемной штамповки: 700 штук против 2500 штук. Данные аспекты заставляют создавать новые менее дорогие технологии штамповки лопаток, выполнять технико-экономическое обоснование выбранного технологического процесса изготовления лопаток. Входными данными для такой технологии будут материал лопатки – титан ВТ6, возможность подогрева штамповой оснастки до максимально возможной температуры порядка 250 0С – 300 0С, материал штамповой оснастки, объем производства лопаток и способ дальнейшей механической обработки штамповки. Анализируя состояние технологии механической обработки лопаток компрессора ГТД в России, а также объем производства лопаток делаем акцент на адаптивной полировку профиля пера. Схема целесообразности выбора и разработки технологического процесса компрессорных титановых лопаток ГТД представлена на рисунке 5.1. 131 Рисунок 5.1 – Схема разработки сводных данных для технологического процесса штамповок заготовок титановых лопаток компрессора ГТД объемной штамповкой на электровинтовом прессе. 132 На основании анализа проведенного исследования в данной работе установлены ряд зависимостей, изменяя которые следует разрабатывать технологический процесс штамповки титановых лопаток компрессора ГТД. Исходными данными к технологическому процессу будут являться материал лопатки: к примеру сплав ВТ6 (TA6V) исходя из марки материала выбираем ковочный интервал деформирования. Далее следует выбрать ковочное оборудование – электровинтовой пресс, снабженный нагревательными элементами для нагрева штампов, а также устройством для нанесения смазки на гравюру штампа в процессе штамповки и нанесения смазки на саму заготовку перед ее нагревом в печи и степень деформации (упрощенно будем называть это коэффициентом трения), последняя будет играть важную роль в количестве переходов штамповки и предварительном фасонировании, операций высадки или выдавливания, перед самой штамповкой. Выбирая исходные параметры, такие как: температура заготовки, штампа, степень деформации, коэффициент трения проводим пробную штамповку лопатки и отправляем на металлургическое исследование для проверки соответствия механических характеристик, заложенных в конструкторской документации и контролю структурной неоднородности, обусловленной требованиями нормативной документации. После получения отчета из металлургической лаборатории, проводим анализ полученных данных, в случае положительного результата, а именно все проверяемых характеристики соответствуют конструкторской документации – утверждаем выбранный параметры, запускаем промышленную партию. В случае отрицательного результата - анализируем данные математического моделирования в программе Q – Form 3D и изменяем входные данные в части корректировки коэффициента трения, температуры нагрева штампов или изменяем степень деформации путем корректировки формы заготовки или введения дополнительного перехода. Корректировку можно вести сразу по всем параметрам, либо корректируя один из них. Далее штампуем опытную партию по новых исходным данным и повторяем цикл до полного соответствия требованиям кон- 133 структорской документации. Схематично это показано на рисунке 5.2. Рисунок 5.2 – Методика Схема - алгоритм проектирования ТП бесприпусковой штамповки титановых лопаток компрессора ГТД при объемной штамповке на электровинтовом прессе. 5.2 Программное обеспечение моделирования процесса штамповки Для реализации моделирования процесса штамповки лопаток компрессора в данной работе использованы различные программные продукты, среди них следующие: 134 1) Математическая модель штамповки смоделирована на компьютере в программе Unigraphics. Unigraphics – это система трехмерного твердотельного гибридного моделирования, предоставляющая пользователю все необходимое для работы с твердым телом, поверхностью и каркасной моделью. Все процессы обработки система охватывает с необычайной гибкостью, высокой функциональностью и производительностью. Unigraphics имеет единую внутреннюю базу данных для всех приложений системы, которая построена на принципе мастермодели, обеспечивающей надежный систематизированный подход к созданию и проверке геометрии изделия и связанных с ней процессов. Unigraphics имеет твердотельный моделлер со встроенной гибкой параметризацией и глубокой ассоциативность. Все модели, создаваемые в UG, являются автоматически параметризованными и в любой момент доступными для различного вида модификаций. 2) При разработке и отладке технологического процесса штампоки необходимо учитывать много факторов, влияющих на процесс формоизменения и в итоге на качество готовой штамповки. Как правило, технологический процесс разрабатывается на основе существующего производственного опыта и научно – технических рекомендаций, а затем доводится экспериментально. Для моделирования процессов ковки и штамповки широко используется программа Q-Form основанная на методе конечных элементов. Моделирование дает возможность «виртуально» наблюдать за процессом формоизменения заготовки. Позволяет решать задачи формоизменения по переходам; выполнять анализ причин «незаполнения» штампов, появления различного рода ковочных дефектов, которые указывались выше в главе 2, таблице 2.1.; прогнозировать разрушения штамповок, износ инструмента; получать данные о напряжениях и деформациях о температуре в заготовке для произвольной точки в произвольный момент времени. Преимуществом моделирования является относительно низкая стоимость проверки новых идей, достаточно создать модель и выполнить расчет. Выполняя расчет важно адекватно воспроизвести все воздействующие факторы, поэтому целесообразно сперва выполнить расчет уже отработанного технологического процесса с целью дальнейшей корректировки исходных параметров диалоговых окон. 135 Допущения, сделанные при разработке модели процесса, следует проверить экспериментально на образцах. За время использования программы Q – Form, более 15 лет, на ПАО «ОДК – Сатурн», можно говорить о большой сходимости результатов расчетов с практикой, величина составляет порядка 85 – 90 % . Это говорит о совместной работе специалистов двух компаний по корректировке и доводке базы данных программы. Для проведения расчета необходимо ввести исходные данные, отвечающие требованиям по указанию марки материала, способа деформирования, указать используемое оборудование, температурный интервал штамповки, величину коэффициента трения, подогрев штампов, предварительное фасонирование заготовки рис. 5.3. В итоге в процессе моделирования составляются различные графики, показывающие в реальном времени величину деформации и конкретное усилие деформирования в данной точке заготовки рис 5.4. Рисунок 5.4 – Расположение заготовки в начале расчета с введенными исходными данными. 136 Рисунок 5.4. – график деформации и входных данных в начале расчета. В процессе моделирования штамповочного перехода можно в реальном времени увидеть формоизменение заготовки и просмотреть технологические характеристики: усилие, работу, перемещение на каждом инструменте (пуансоне, матрице, прижиме) рис.5.5. Рисунок 5.5. – Технологические параметры в конце штамповочного перехода, видны график усилий и перемещений и их значения. 137 5. 3 Практические рекомендации по использованию разработок в производстве Практическое апробирование полученных результатов проведенной работы на образцах по выявлению оптимального сочетания технологических факторов, обеспечивающих требуемую структуру, используем на идущей в производстве серийной штамповке. Для проведения опытной работы используем серийные штамповки Рисунок 5.6. Технологический процесс построим по следующей схеме: - высадка заготовок на ГКМ; - штамповка 1-го перехода на электоровинтовом прессе; - обмер геометрических размеров и проверка микроструктуры; - штамповка 2-го перехода на электровинтовом прессе; - обмер геометрических размеров и проверка микроструктуры; В результате усредненных значений степеней деформации и определения класса микроструктуры заполняем таблицу № 5.1. Анализируя результаты таблицы видим, что на первом переходе при степени деформации 50% и менее формируется устойчивая микроструктура класса А. При степени деформации (25-35) % на втором переходе стабилизируется микроструктура класса А. На результаты формирования микроструктуры при штамповке и на первом и на втором переходах существенное влияние оказывают критические параметры при их допустимых значениях в рамках рекомендуемых границ. 138 Поэтому для разработки надежного ТП штамповки титановых лопаток будем рассматривать доминирующие критические параметры, которые легко увязывать между переходами деформирования. Поэтому степень деформации по переходам позволяет не только формировать структуру, но обеспечивать еѐ хорошую проработку с целью получения удовлетворительных механических свойств. Таблица № 5.1 Для получения годной штамповки также необходимо добиваться стабильной геометрии профиля пера, особенно для бесприпусковых штамповок. На сегодняшний день для титановых лопаток существует единственная операция: «изотермическая калибровки» и «изотермическая термофиксация». Эти процессы будем задействовать при разработке нового прогрессивного технологического процесса штамповки титановых лопаток без припуска по профилю пера. При этом будем решать задачу по получению, как требуемой структурной неоднородности, так и по обеспечению заданной точности геометрии профиля пера под безразмерную обработку, то есть без припуска по перу. 139 В случае достижения удовлетворительных результатов намеченной работы можно данный опыт технологической схемы изготовления бесприпусковых штамповок лопаток из титанового материала рекомендовать для серийного внедрения в кузнечное производство. Резка заготовок под выдавливание Выдавливание заготовки за два перехода (перо + подсадка хвостовика-ка) на двух координатном прессе Исследование структуры пера второго перехода выдавливания. Штамповка на электровинтовом прессе ус. 2600тс. за два перехода штамповки Первый переход Исследование структуры пера 2-х переходов штамповки. Второй переход Усредненные результаты проведенных работы на штамповках лопаток приведены в таблице № 5.2. По конструкторской документации микроструктура в соответствии класса: А - допускается во всех сечениях (10, 50, 80); В - допускается только в сечении10; С – не допускается ни в одном сечении. 140 По результатам работы получили данные, которые позволяют сделать следующий вывод, что окончательная штамповка с пропорциональным припуском предпочтительнее эквидистантного, так как класс В, при пропорциональном припуске, позволяет в дальнейшем измениться на класс А. Это объясняется тем, что при штамповке разность скорости истечения по поверхности и в центральной его части уменьшаются, что позволяет сделать вывод о устранении причины возникновения дефекта «Белой полосы». Таблица 5.2 – Таблица зависимости предварительной и окончательной штамповки учитывающая степень деформации и припуск. Предварительная штамповка Степень деформации предварит. штамповки, % Окончательная штамповка Класс микро- Класс микро- структуры по Степень деформации структуры по DMF90527-01Е. окончательной штамповки, % DMF90527-01Е. в сечениях: 10 50 80 65 А, В А, В А 60 А, В А А 50 А А А в сечениях: Эквидистант. припуск Пропорциональный при- 10 50 80 А, В А, В А А, В А А А, В А А А, В А А А А А А А А пуск 15 15 20 20 25 25 141 Так при достижении одинаковой скорости течения металла в центре сечения и на поверхности снимется причина возникновения деформационной белой полосы. Для достижения этих условий деформирования используются все возможные технологические приемы, такие как: - подогрев штамповой оснастки; - использование технологической смазки; - уменьшение времени переноса заготовки из печи в гравюру; - увеличение температуры нагрева заготовки до допустимых величин; - использование оптимальной степени деформации; - обеспечение равномерности степени деформации, как по сечению, так и по всему профилю; - применение многопереходной штамповки; - своевременная доработка гравюры штамповой оснастки по шероховатости; - подбор оптимальной скорости деформации на ковочном оборудовании и др. Важным в технологической схеме процесса штамповки является создание условий для равномерности степени деформирования на втором переходе по сечениям профиля пера лопатки, то есть обеспечения пропорциональности деформирования. Пропорциональный припуск отличается от эквидистантного тем, что при эквидистантном припуске штамповка первого и второго переходов выполняется в гравюре штампа одной геометрии, а при пропорциональном в первом пере- 142 ходе гравюра штампа выполняется с учетом обеспечения близких степеней деформации в Смах и по кромкам профиля. По занесенным в таблицу результатам структурной неоднородности классов А и В можно сделать вывод, что для серийного внедрения процессов штамповки титановых лопаток просматривается вариант изготовления бесприпусковых лопаток со следующими комбинациями: - заготовку изготавливать 2-х переходным выдавливанием; - объемную штамповку выполнять в разных штампах за два перехода со степенями деформации (40÷50)% на первом переходе и (20÷35)% на втором; - штамповку рассчитывать с пропорциональным припуском. Имея теоретическую и практическую информацию, полученную в ходе проведения опытных работ и выявленных зависимостей деформационных процессов от критических параметров, появилось обоснованное понимание сути технологической разработки процесса получения бесприпусковых штамповок титановых лопаток объемной штамповки. В таблице № 5.3 представлена типовая маршрутная технологическая схема процесса производства бесприпусковых титановых штамповок. № операции Наименование операции 005 Отрезная 010 Токарная 015 Бесцентрово-шлифовальная 020 Нанесение смазка 025 Выдавливание (1 переход) 030 Нанесение смазка 035 Выдавливание (1 переход) 040 Очистка пескоструйная 045 Нанесение защитно-смазочного покрытия 050 Предварительная штамповка 143 055 Обрезка облоя 060 Нанесение защитно-смазочного покрытия 065 Окончательная штамповка 070 Обрезка облоя 075 Очистка пескоструйная 080 Травление на дефекты 085 Зачистка дефектов 090 Очистка пескоструйная 095 Нанесение защитно-смазочного покрытия 100 Изотермическая калибровка 110 Отжиг 115 Очистка пескоструйная 120 Травление на удаление дефектного слоя 125 Промывка 130 Маркирование и контроль Основываясь на вышеуказанной маршрутной технологии, был разработан технологический процесс штамповки рисунок 5.7 по которому были изготовлены штамповки лопаток из материала TA6V, и проведены все необходимые металлургические исследования, которые показали отсутствие структурной неоднородности. 144 Рисунок 5.5 –Выкопировки из ТП штамповки по новой технологии. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе решена актуальная научно – техническая задача, имеющая важное значение для авиадвигателестроения, состоящая в повышении эффективности изготовления компрессорных лопаток газотурбинного двигателя из титанового сплава TA6V с целью применения ее в технологическом процессе изготовления лопаток ГТД. 1.При исследовании механизма возникновения структурной неоднородности выявлено оптимальное влияние режимных параметров на достижение требуемой структуры в лопаточном профиле пера. При этом оценка соответствующих структур по исследуемым технологическим вариантам указывает на границы возникновения дефекта структурной неоднородности. 2.На основе компьютерного моделирования процесса, установлен механизм возникновения структурной неоднородности, выявлены деформационные параметры, формирующие структуру профиля. 3.Рекомендованные автором методы и модель штамповки титановых сплавов позволяют избежать возникновения структурной неоднородности и создать условия (степень деформации, коэффициент трения), сочетая которые обеспечивается заданная КД структура лопатки. 145 4.Автором предложены рекомендации для разработки технологического процесса деформирования титановых сплавов с оптимальными температурно – деформационными параметрами штамповки лопаток ГТД. 5.Рассмотренные закономерности формирования структуры титановых сплавов подтверждают возможность достижения регламентированного 146 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прогрессивные технологии моделирования, оптимизации и интеллек- туальной автоматизации этапов жизненного цикла авиационных двигателей: Монография / А. В. Богуслаев и др.; под ред. Д. В. Павленко, С. А. Субботина. – Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2009. – 468 с. 2. Иноземцев, А. А. Газотурбинные двигатели / А. А. Иноземцев, В. Л. Сандрацкий. – Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006. – 1204 с. 3. Братухин, А. Г. Авиастроение России / А. Г. Братухин. – М.: Машино- строение, 1995. – 392 с. 4. Скибин, В. А. Двигатели летательных аппаратов. Особенности изго- товления и испытаний / В. А. Скибин, Ю. И. Павлов, А. Г. Хворостухин и др.; под ред. В. А. Скибина. – М.: «МАТИ»-РГТУ, 2001. – 257 с.. 5. Крымов, В.В. Производство газотурбинных двигателей [Текст] / Ю.С. Елисеев, К.И. Зудин. Под ред. В.В. Крымова – М.: Машиностроение, 2002.–376 с 6. Евстигнеев, М. И. Технология производства двигателей летательных аппаратов / М. И. Евстигнеев, А. В. Подзей, А. М. Сулима. – М.: Машиностроение, 1982. – 263 с. 7. Сулима, A. M. Основы технологии производства воздушно- реактивных двигателей / А. М. Сулима, А. А. Носков, А. В. Подзей и др. – М.: Машиностроение, 1993. – 480 с. 8. Кожина, Т. Д. Автоматизация технологии изготовления газотурбин- ныхавиационных двигателей. В 2-х ч. Ч. 2 / Т. Д. Кожина, И. Д. Юдин, В. А. Полетаеви др.; под ред. Т. Д. Кожиной и И. Д. Юдина – М.: Машиностроение, 2012.– 272 с. 9. Безъязычный, В.Ф. Автоматизация технологии изготовления газотур- бинных авиационных двигателей. Часть первая / В.Ф. Безъязычный, В.А. Полетаев, Т.Д. Кожина и др.; Под ред. В.Ф. Безъязычного и В.Н. Крылова. – М.: Машиностроение, 2012.– 560с. 147 10. Белкин, М.Я. Ковка с предварительным охлаждением поверхности крупных заготовок – эффективный метод повышения однородности механических свойств / М.Я. Белкин, А.Л. Еськов, В.Н. Адамова // КШП. – 1980. – №4. – С.12. 11. Согришин Ю.П. Экспериментальное определение технологических характеристик металлов и сплавов / Ю.П.Согришин, В.А.Тишаков, Л.Г.Гришин, Ю.А.Магай // КШП. – 1980. – №2. – С.10. 12. Петухов А.А. Сопротивление усталости деталей ГТД. – Машиностро- ение, 1993. – 204 с.. 13. Славина М.В. Условия трения при прессовании высокопрочных тита- новых сплавов и выбор стеклосмазочных материалов / Славина М.В., М.З.Ермаков, Н.К.Цапалова, С.Д.Афанасьев // КШП. – 1990. – №5. – С.13 – 14. 14. Ермаков М.З. Сопротивление деформации высокопрочных титановых сплавов / Ермаков М.З., М.В.Славин // КШП. – 1989. – №12. – С. 4 – 5. 15. Павлов И.А. Некоторые проблемы изготовления точных заготовок ло- паток с использованием эффекта сверхпластичности / И. А. Павлов // КШП. – 1989. – №2. – С. 10 – 12. 16. ки Смирнов В.К., Опыт применения малоотходной технологии штампов- поковок лопаток из титановых сплавов / Смирнов В.К., К.И.Литвинов, В.А.Волков, А.Н.Леванов, С.В.Харитонин // КШП. – 1997. – №1. – С. 10 – 13 17. Зрюмов В.П. Условия стабильности качества штампованных загото- вок из титановых сплавов / Зрюмов В.П., Листвин Г.П., Евменов О.П., Родионов В.Л. // КШП. – 1987. – №11. – С. 29 – 31. 18. Матвеев, А.С. Справочник кузнеца / А.С. Матвеев, В.А. Кочетков Москва, 2011. 19. Способ обработки материалов давлением // Патент на изобретение RUS 2414319. 2010/ В. А. Полетаев, А. С. Матвеев, Р.А.Казаков 20. Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей // Патент на изобретение RUS 2422257. 2009/ А.С. Матвеев, В.В. Коршунова 21. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРУТКИ ДЕТАЛИ // Патент на изобретение RUS 2358825. 2007 / А.С. Матвеев, Д.В. Волков, В.В. Андреев, И.В. Ильин 148 22. Способ изготовления деталей точной объемной штамповкой // Патент РФ № 2355503. 2004 // М. Беньон, К. Куньо, М. Лепти и др. 23. Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя // Патент на изобретение RUS 2257277. 2004 / А.С. Матвеев, Г.И. Зубарев, В.В. Андреев 24. Матвеев, А.С. Способ структурообразования материала прутковых за- готовок прессованием в подвижных матрицах / А.С. Матвеев, Р.А. Казаков, А.В. Иванов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2014. – № 1. – С. 10 – 16. 25. Матвеев, А.С. Метод и устройство для получения ультрамелкозерни- стой структуры материала прутковых заготовок / А.С. Матвеев, Р.А. Казаков, Ю.С. Шумкина // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2014. – № 11 (41). – С. 10 – 13. 26. Ильин, И.В. Новые методы изготовления широкохордных лопаток ГТД / И.В. Ильин, А.С. Матвеев // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2007. – № 11. – С. 9 – 11. 27. Мамаев, В.Б. Выбор и назначение технологических параметров изо- термической штамповки заготовок лопаток ГТД с учетом размерной стойкости деформирующего инструмента / В.Б. Мамаев, М.Л. Первов, В.А. Кочетков // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. – 2013. – № 3 (26). – С. 50 – 59. 28. Первов, М.Л. Изготовление лопаток ГТД из жаропрочных тугоплав- ких сплавов с защитным покрытием / М.Л. Первов, С.А. Первова, А.С. Скобелева // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. – 2012. – № 2 (23). – С. 53 – 57. 29. Мамаев, В.Б. Размерная стойкость деформируемых жаропрочных сплавов, используемых в качестве материалов штампов для изотермической штамповки / В.Б. Мамаев, В.А. Кочетков, М.Л. Первов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2006. – № 8. – С. 17. 30. Паламарь, И.Н. Повышение точности контроля качества штамповок лопаток ГТД на основе сегментации изображения микроструктуры методом выращивания и слияния областей / И.Н. Паламарь, М.Л. Первов, К.А. Рыбаков, П.В. Сизов // Контроль. Диагностика. – 2014. – № 2. – С. 58 – 64. 149 31. Мамаев, В.Б. Методика и установка для испытания материалов де- формирующего инструмента для изотермической штамповки / В.Б. Мамаев, В.А. Кочетков, М.Л. Первов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2006. – № 8. – С. 4 – 10. 32. Мамаев, В.Б. Размерная стойкость деформируемых жаропрочных сплавов, используемых в качестве материалов штампов для изотермической штамповки // В.Б. Мамаев, В.А. Кочетков, М.Л. Первов // Кузнечноштамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2006. – № 8. – С. 52 – 55. 33. Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей // Патент на изобретение RUS 2013179. / Е.А. Антонов, А.С. Вяткин, А.С. Матвеев, Е.Е. Сухопара, В.Б. Мамаев. 34. Fix, J. Mechanism of explosive welding of materials / J. Fix // Dymat'88, Ajaccio-France, Sept. 19-23, 1998. 35. Maturana, F. Multi-Agent Mediator Architecture for Distributed Manufac- turing / F. Maturana, D. H. Norrie // Journal of Intelligent Manufacturing. – 1996. – №7.– P. 257-270. 36. Рогов, В. А. Современные машиностроительные материалы и заго- товки / В. А. Рогов, Г. Г. Позняк.– М.: Академия, 2008.–336 с. 37. Безъязычный, В. Ф. Разработка методологии обеспечения требуемого уровня производительности изготовления деталей при различных типах машиностроительного производства / В. Ф. Безъязычный, А.С. Матвеев, А.Н. Рябов // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. – 2014. – № 3 (30). – С. 89 – 95. 38. Фитин, С.З. Перспективы применения деформируемых жаропрочных сплавов в качестве штампов для изотермической штамповки / С.З. Фитин, Ю.С. Недоуров, В.Б. Мамаев, Ю.В. Смирнова, В.П. Веденеев, В.А. Кочетков // Авиационная промышленность. – 1987. – № 6. – С. 32. 39. Способ изготовления штамповок лопаток из двухфазного титанового сплава // Патент на изобретение РФ № 2525961. 2013 / В.В. Андреев, В.Б. Быстров, Р.А. Казаков. 150 40. Леонов, Б. Н. Технологическое обеспечение проектирования и произ- водства газотурбинных двигателей / Б. Н. Леонов, А. С. Новиков, Е. Н. Богомолов и др. – Рыбинск: Рыбинский дом печати, 2002. – 407 с. 41. Безъязычный, В. Ф. Технологические процессы механической и физи- ко – химической обработки в авиадвигателестроении – М.: Машиностроение 2001. – 290 с. 42. Сосунов, В. А., Теория, расчет и проектирование авиационных двига- телей и энергетических установок / В. А. Сосунов, В.М. Чепкин. – Москва, издательство МАИ 2003. – 677 с. 43. Логунов, А. В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток дисков и газовых турбин – Рыбинск, ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии» 2017. – 855 с. 44. Скибин, В. А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор) / В. А. Скибин, Солонин В. И. – Москва, ЦИАМ 2004. – 420 с. 45. Полетаев, В. А. Технология автоматизированного производства лопа- ток газотурбинных двигателей – Москва, Машиностроение 2006. – 255 с. 46. Лейпи, В.Э. Дефекты в виде полос и трещин в штамповках из сплава ВТ9. // Технология легких сплавов. – 1972. – №8. – С. 50 – 53. 47. Катая, Г.К. Влияние формы очага деформации на течение металла при штамповки изделий тонкого сечения из титановых сплавов / Г.К. Катая, В.К. Катая, Ю.И. Потапенко // Технология легких сплавов. – 1979. – №8. – С. 50 – 61 48. Катая, Г.К. Исследование влияния термомеханических параметров и условий деформирования на структуру и механические свойств штамповок из сплава ВТ3-1 / Г.К. Катая, В.К. Катая, Л.С. Мещанинова и др // Технология легких сплавов. – 1980. – С. 50 – 53. 49. Аношкин, Н. Ф. Локализация деформации при горячей обработке ти- тановых сплавов / Н. Ф. Аношкин, В. К. Катая, Г. К. Катая // Кузнечноштамповочное производство. – 1983. – №8. – С. 24–26. 151 50. Быля, О. И. Моделирование эволюции крупнозернистой микрострук- туры α + β титановых сплавов в процессах горячей штамповки с использованием метода конечных элементов / О.И. Быля, П. Л. Блекелл, Р. А. Васин, М. К. Саранджи // КШП. – 2016. – №11. – С.15 – 20. 51. Салищев, Г. А. Применение математического моделирования в разра- ботке технологии подготовки однородной мелкозернистой микроструктуры титановых полуфабрикатов / Г.А. Салищев, В.Г.Рыжков, Н.Л.Годин, М.И.Мазурский, Е.А.Омельченко // КШП. – 1989. – №2. – С.7 – 10. 52. Кутышкин, А.В. Математическое моделирование формоизменения за- готовок при открытой горячей штамповке / КШП. – 1995. – №6. – С. 12 – 15. 53. Чачин, В.Н. Направления развития работ в области обработки метал- лов давлением в Физико-техническом институте АН БССР / КШП. – 1980. – №7. – С. 3. 54. Сафаров, Ю.С. О моделировании пластических деформаций / КШП. – 1974. – № 8. – С. 1 – 6. 55. Унксов, Е.П. Методы моделирования процессов обработки металлов давлением / КШП. – 1975. – № 4. – С. 1 – 5. 56. Барань, Я. Моделирование процесса горячей объемной штамповки / Я.Барань, И. Цегледи, Ш. Жила // КШП. – 1985. – № 3. – С. 5 – 6. 57. Стебунов, С.А. 25 лет программе моделирования процессов обработки металлов давлением QForm / КШП. – 2016. – № 11. – С. 15 – 20. 58. Altan T., Ngaile G., Shen G. Cold ahd Hot Forgings: Fundamentals and Applications. ASM International, Materials Park, 2005. 333p. 59. Manson S.S., Halford G.R. Fatigue and Durability of Structural Materials. ASM International, 2006. 456 p. 60. ASM Handbook. Vol.14A: Metalworking: Bulk Forming. ASM International, 2005. 816 p. 61. ASM Handbook. Vol.9: Metallography and Microstructures. ASM International, 2004. 2733 p. 152 62. ASM Handbook. Vol.3: Alloy Phase Diagrams. ASM International, 1992. 1741 p. 63. Власов, В. А. Конечно – элементное моделирование технолгических процессов ковки и объемной штамповки – Москва, издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2019 – 377 с. 64. Петреченко, В. А. Потенциал российских инноваций на рынке систем автоматизации и робототехники [Электронный ресурс] –Режим доступа: http://www.rusventure.ru/ru/programm/analytics/docs/Otchet_robotFINAL%20291014.pdf. 65. Смирнов, А.М. Основы автоматизации кузнечно-прессовых машин / А.М. Смирнов, К. И. Васильев. – М.: Машиностроение, 1987. – 272 c. 66. Belfingroup. Роботизированные технологии [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://belfingroup.com/o- belfingrupp/publikaczii/kompleksnoetexperevooruzhenie. 67. тронный Robotforum. Портал, посвященный промышленным роботам [Элекресурс] – Режим доступа: http://robotforum.ru/novosti- texnogologij/promyishlennyie-robotyi-v-czifrax.html 68. Robotics-aisbl [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.eu- robotics.net/about/about-eurobotics-aisbl/. 69. Техническая планета [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://tehplaneta.ru/category/robototekhnika. 70. Робототехника [Электронный ресурс] – Режим доступа: – Режим доступа: http://roboticslib.ru/books/item/f00/s00/z0000005/st030.shtml 71. Kuka robotics [Электронный ресурс] http://www.kukarobotics.com/ru/solutions/solutions_search/print/L_R267_Robots_Link_Drop_Forging_ Process.htm 72. Kuka robotics [Электронный http://www.kuka-robotics.com/russia/ru/products/ ресурс] – Режим доступа: 153 73. Fanuc [Электронный ресурс] – Режим доступа: – Режим доступа: http://www.fanuc.co.jp/en/product/robot/index.html 74. ABB [Электронный ресурс] http://www.abb.ru/robotics 75. ИЛК – ИНЖИНИРИНГ [Электронный ресурс] – Режим доступа: www.Ilk.ru. 76. ОАО "ЭНИКмаш-В" - Кузнечно-прессовое оборудование [Электронный ресурс] – Режим доступа:. http://www.enikmash.ru/?p=2&cat=12 77. Buderus Edelstahl Schmiedetechnik GmbH [Электронный ресурс] – Ре- жимдоступа: http://www.buderus-steel.com/buderus/en. 78. Семенов, Е.И. Робототехнологические комплексы для листовой штамповки мелкихдеталей / Е. И. Семенов, Н. Ф. Кравченко. – М.: Машиностроение, 1989. – 288 с. 79. Белянин, П.Н. Промышленные роботы и их применение: Робототех- ника для машиностроения. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1983. – 311 с. 80. Смирнов, А.М. Основы автоматизации кузнечно-прессовых машин. / А.М. Смирнов, К.И. Васильев. – М.: Машиностроение, 1987. – 272c. 81. Ben-Zion Sander. ROBOTICS. Designing the Mechanisms for Automated Machinery / Ben-Zion Sander – Academic Press, 1999. – 444 p. 82. Electrotherm Electrical & Metal Products Ltd [интернет ресурс]. http://www.electrothermindustry.com 83. Козырев, Ю. Г. Применение промышленных роботов : учебное посо- бие для вузов. – М.: КноРус, 2013. – 488 с 154 ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 155 156 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Расчет затрат на изготовление и ремонт штампов ТП С ПРИПУСКОМ ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ШТАМПОВКА ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ТП Ковочный предвариКовочный тельный штамп штамп (ЭИ 958) (ЭИ 958) Ковочный штамп ( ЖС-6) Калибровочный штамп (ЖС-6) Ковочный штамп ( ЖС-6) Калибровочный штамп (ЖС-6) Термофиксирующий штамп (ЖС6) Ориентировочная стоимость изготовления штампа , руб. 181 796 181 796 247 265 247 265 247 265 163 539 163 539 Ориентировочная стоимость 1 ремонта, руб. 76 738 96 740 108 482 161 673 83 016 49 143 49 143 Стойкость штампа до первого ремонта, шт. 700 1 000 700 1 000 15 000 5 000 1 500 Стойкость штампа после восстановления, шт. 500 600 500 600 10 000 3 500 1 000 Количество возможных ремонтов 30 30 30 30 30 30 30 Ориентировочная стоимость ремонтов, руб. 2 302 140 2 902 200 3 254 460 4 850 190 2 490 480 1 474 290 1 474 290 2 483 936 3 083 996 3 501 725 5 097 455 2 737 745 1 637 829 1 637 829 15 700 19 000 15 700 19 000 315 000 110 000 31 500 158,2 162,3 223,0 268,3 8,7 14,9 52,0 Ориентировочные суммарные затраты до полного износа штампа с учетом всех ремонтов, руб.: Количество штамповок, которые возможно изготовить до полного износа штампа, шт. Доля стоимости штампа, приходящаяся на 1 штамповку, руб. 157 ПРИЛОЖЕНИЕ В Результаты моделирования заготовки штамповки лопатки ГТД из титанового сплава в программной среде QFORM Начало штамповки, позиционирование. Промежуточное состояние заготовки во время штамповки. 158 Завершение операции штамповки заготовки лопатки ГТД.
