СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСЕДИАГОНАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ТИПА КОЛЕС С ЛОПАТКАМИ Российский патент 2003 года по МПК B21K1/36 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении оседиагональных изделий типа колес с лопатками для газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, турбохолодильных машин и других аналогичных изделий.

Известен способ изготовления оседиагональных колес с лопатками, предусматривающий ковку цельнометаллической заготовки при температуре полиморфного превращения (для титанового сплава ВТЗ-1 Т_п.п≈970^oC) на молоте (3т), осаживание исходной заготовки (L=290±1,0 мм, ⊘ 175 мм) в торец на размеры поковки (b=144±4 мм, ⊘ 242 мм), последующую термообработку (отжиг 910±10^oC, выдержка 3 ч 30 мин, перенос в печь с температурой 550±10^oС, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе) и подачу заготовки на формообразование колеса с закрученными лопатками путем фрезерной обработки, в частности, выборкой фрезой межлопаточного пространства и фрезерованием профиля лопаток на пятикоординатных станках типа UCP-710 "Микрон" или КМЦ-600 (Технологический процесс для изготовления оседиагональных колес, 0050114021231, 2001 г., НПО "Сатурн").

Недостатками известного способа являются:
- невысокое качество изделия, обусловленное нарушением волокна заготовки при прорезании фрезой;
- высокая трудоемкость изготовления, обусловленная большим количеством фрезерных и слесарно-полировальных работ;
- низкий коэффициент использования металла.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления оседиагональных изделий типа колеса с лопатками для авиационных двигателей с помощью подвижного пуансона, состоящего из центрального элемента и окружающего его кольца в изотермических условиях. Способ предусматривает предварительное фасонирование заготовки при движении вниз центрального элемента пуансона и окончательное формообразование изделия подачей кольца пуансона в том же направлении (см. США, патент 4312211, МПК В 21 К 1/32. Бюллетень "Изобретения в СССР и за рубежом", 10-82, с.67) - ближайший аналог.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- невысокое качество изделия, обусловленное нарушением механических характеристик материала лопаток при однонаправленном деформировании заготовки, что в свою очередь влияет на срок службы всего изделия;
- ограниченные технологические возможности, так как он позволяет получать изделия только с прямыми лопатками.

Техническим результатом заявляемого способа является расширение технологических возможностей за счет изготовления колес с закрученными лопатками, при этом обеспечивается формообразование заготовки с прямыми лопатками и их закрутка при окончательном формообразовании изделия, что позволит снизить себестоимость изготовления и повысить качество изделий.

Сущность технического решения заключается в том, что в способе изготовления оседиагональных изделий типа колес с лопатками, включающем предварительное фасонирование заготовки в верхнем и нижнем штампах на прессе с выталкивателем, последующее формирование заготовки с прямыми лопатками и формообразование изделия в изотермических условиях, согласно изобретения получают оседиагональное изделие типа колеса с закрученными лопатками и межлопаточной поверхностью с большим и меньшим диаметрами, предварительное фасонирование заготовки осуществляют путем смыкания верхнего и нижнего штампов, в качестве последнего из которых используют штамп с пуансоном, формирование заготовки с прямыми лопатками производят перемещением упомянутого пуансона вверх при использовании в качестве его привода выталкивателя пресса, а при окончательном формообразовании изделия прямые лопатки последовательно подвергают закрутке путем фиксации заготовки с прямыми лопатками при расположении точки на меньшем диаметре ее межлопаточной поверхности в нижнем положении, а точки на большом диаметре ее межлопаточной поверхности - в верхнем положении, установки под лопатку со стороны большего диаметра заготовки поддерживающего ложемента, нагрева лопатки со стороны спинки до температуры 700±10^oС, последующего ввода со стороны меньшего диаметра заготовки деформирующего ложемента, с перемещением его в горизонтальной плоскости по радиусу до упора и термофиксации лопатки в течение 1-2 мин.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - штамповочный блок для изготовления оседиагонального изделия в изотермических условиях,
фиг.2 - схема фиксации заготовки при закрутке лопатки,
фиг.3 - схема фиксации заготовки, взятая по линии А-А фиг.2,
фиг.4 - схема закрутки лопаток.

Способ изготовления оседиагональных изделий типа колес с лопатками осуществляют следующим образом:
в соответствии с изотермическими условиями предварительно нагретую заготовку 1 устанавливают в нижний штамп 2 (см. фиг.1) и фиксируют на дугообразной поверхности 3 сегментов 4, образующих между смежными боковыми поверхностями ручьи для формообразования лопаток. При этом сегменты 4 фиксируются в нужном положении относительно друг друга установкой торцов 5 на поверхности нижнего штампа 2 и дугообразную поверхность 6 сегментов 4, образуемую торцами будущих прямых лопаток. Включают пресс (на чертежах не показан). Верхний штамп 7 опускают до смыкания с нижним штампом 2, при этом центральная вставка 8 верхнего штампа 7 выжимает нагретый металл в периферийные зоны и формируют ступицу 9 и частично лопатки 10, обеспечивая таким образом предварительное фасонирование заготовки изделия в монолитном исполнении с лопатками 10. Затем включают рабочий ход выталкивателя пресса, под действием которого пуансон 11 нижнего штампа 2 перемещается вверх и формирует окончательно оседиагональное колесо с прямыми лопатками. Подъемом траверсы пресса (на чертеже не показано) верхний штамп 7 поднимают вверх, раскрывают полость штампового блока, приводят в движение пуансон 11 и он поднимает над торцом нижнего штампа 2 полученную заготовку 1 вместе с дугообразными сегментами 4. Заготовку 1 вынимают и подают на закрутку в приспособление (см. фиг.2), снабженное делительным диском (на чертежах не показан). Заготовку 1 фиксируют с помощью втулки 12 и гайки 13 таким образом, что ось заготовки 1 составляет с горизонтальной осью угол, например, в 30^o±5', при этом точка "А" на меньшем диаметре ее межлопаточной поверхности 14 (см. фиг.3) находится в нижнем положении, а точка "Б" - на большом диаметре ее межлопаточной поверхности 14 в верхнем положении. Затем под прямую лопатку 10 (см. фиг.4) под корыто со стороны большого диаметра заготовки 1 устанавливают поддерживающий ложемент 15 и лопатку 10 нагревают со стороны спинки до температуры 700±10^oС. После этого со стороны малого диаметра заготовки 1 вводят деформирующий ложемент 16, перемещая его в горизонтальной плоскости до упора с помощью пневмоцилиндра (на чертежах не показан), при этом деформирующий элемент 16 укладывает прямую лопатку 10 на поддерживающий ложемент 15. Лопатку 10 термофиксируют при температуре 700±10^oC в течение 1-2-х мин. Затем деформирующий ложемент 16 выводят из межлопаточного пространства 14 заготовки 1, поворачивают на шаг делительный диск и цикл повторяют до закрутки всех лопаток 10.

Пример 1. Нагрев заготовки 1, например, из титанового сплава ВТЗ-1 осуществляют в электропечи типа СН04,0х8,0. Перед нагревом для предотвращения взаимодействия нагретого металла с воздушной атмосферой заготовку 1 эмалируют покрытием ЭВТ-24. Нагрев заготовки 1 проводят до температуры 950^oС. Заготовку 1 вынимают из электропечи и устанавливают в нижний штамп 2 с помощью механических клещей. Дугообразные сегменты 4 (фиг.1), ложементы 15 и 16 (фиг.4) изготавливают из литейного сплава на никелевой основе ЖС6-К и их поверхность покрывают теплоизоляционным слоем толщиной 0,01-0,005 мкм, состоящим из окислов Аl₂О₃, MgO, SiO₂. Слой наносят плазменным, катодным или газоплазменным способами, что обеспечивает высокое качество получаемых изделий. Формообразование выполняют на гидравлическом прессе усилием 6,3 МН, снабженном индукционным нагревателем УИДИН-350. Полученную заготовку 1 с прямыми лопатками 10 устанавливают в приспособление (фиг.2) и фиксируют так, что угол между горизонтальной осью и осью заготовки 1 составляет 30^o. Затем устанавливают поддерживающий ложемент 15, фиксируя его от смещения, причем его можно устанавливать последовательно под каждую лопатку 10, или все сразу по количеству лопаток 10. В межлопаточное пространство 14 заготовки 1 вводят индуктор ТВЧ, снабженный фотопирометром с устройством автоматического регулирования температуры (источник питания с частотой тока 2400 Гц и мощностью 100 кВт), нагревают лопатку 10 со стороны спинки до 700^oС, выводят индуктор и со стороны малого диаметра заготовки 1 перемещают деформирующий ложемент 16 до упора. Проводят термофиксацию лопатки в течение 1-2 мин при температуре 700^oС, а затем выводят деформирующий элемент 16 из межлопаточного пространства 14 заготовки 1. Цикл повторяют до полной закрутки всех лопаток 10. Предложенным способом изготовлено оседиагональное колесо со следующими параметрами:
- малый диаметр заготовки ≈ 77 мм;
- большой диаметр заготовки ≈ 226 мм;
- угол закрутки лопаток 10 со стороны малого диаметра 41^o.

Пример 2. Способ осуществляют аналогичным образом, при этом угол фиксации заготовки 1 составлял 30^o±5', температура нагрева составляла 710^oС, время термофиксации составило до 2 мин.

Предлагаемый способ изготовления оседиагональных изделий позволяет по сравнению с аналогом повысить в 10 раз производительность труда, увеличить КИМ с 0,15 до 0,85, ликвидировать потребность в дорогостоящем металлорежущем оборудовании и инструменте.

По сравнению с ближайшим аналогом предлагаемое техническое решение позволяет:
- повысить качество готового изделия за счет сохранения механических характеристик структуры тела лопаток, благодаря последовательной подаче усилия сверху и снизу при смыкании штампов и перемещении пуансона вверх;
- расширить технологические возможности способа за счет изготовления колес с закрученными лопатками, при этом обеспечивается формообразование заготовки с прямыми лопатками и их закрутка при окончательном формоообразовании изделия, что позволит снизить себестоимость изготовления и повысить качество изделий;
- обеспечить высокое качество за счет установки заготовки при определенном положении точек пересечения межлопаточной поверхности и диаметров изделия, что в свою очередь позволяет вводить деформирующий, поддерживающий ложементы и осуществлять плавную закрутку лопаток без изменения структуры пера и нарушения механических характеристик, обеспечить высокий ресурс готового изделия;
- упростить конструкцию штамповочного блока и использовать стандартное прессовое оборудование.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении оседиагональных изделий типа колес с лопатками для газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, турбохолодильных машин и других аналогичных изделий. Способ включает предварительное фасонирование заготовки в верхнем и нижнем штампах на прессе с выталкивателем, последующее формирование заготовки с прямыми лопатками и формообразование изделия в изотермических условиях. Оседиагональное изделие типа колеса с закрученными лопатками и межлопаточной поверхностью с большим и меньшим диаметрами, предварительное фасонирование заготовки осуществляют путем смыкания верхнего и нижнего штампов. В качестве нижнего штампа используют штамп с пуансоном. Формирование заготовки с прямыми лопатками производят перемещением упомянутого пуансона вверх при использовании в качестве его привода выталкивателя пресса, а при окончательном формообразовании изделия прямые лопатки последовательно подвергают закрутке путем фиксации заготовки с прямыми лопатками при расположении точки на меньшем диаметре ее межлопаточной поверхности в нижнем положении, а точки на большом диаметре ее межлопаточной поверхности - в верхнем положении, установки под лопатку со стороны большего диаметра заготовки поддерживающего ложемента, нагрева лопатки со стороны спинки до температуры 700±10^oС, последующего ввода со стороны меньшего диаметра заготовки деформирующего ложемента с перемещением его в горизонтальной плоскости по радиусу до упора и термофиксации лопатки в течение 1-2 мин. Использование изобретения ведет к расширению технологических возможностей, снижению себестоимости изготовления и повышению качества изделий. 4 ил.

Способ изготовления оседиагональных изделий типа колес с лопатками, включающий предварительное фасонирование заготовки в верхнем и нижнем штампах на прессе с выталкивателем, последующее формирование заготовки с прямыми лопатками и формообразование изделия в изотермических условиях, отличающийся тем, что получают оседиагональное изделие типа колеса с закрученными лопатками и межлопаточной поверхностью с большим и меньшим диаметрами, предварительное фасонирование заготовки осуществляют путем смыкания верхнего и нижнего штампов, в качестве последнего из которых используют штамп с пуансоном, формирование заготовки с прямыми лопатками производят перемещением упомянутого пуансона вверх при использовании в качестве его привода выталкивателя пресса, а при окончательном формообразовании изделия прямые лопатки последовательно подвергают закрутке путем фиксации заготовки с прямыми лопатками при расположении точки на меньшем диаметре ее межлопаточной поверхности в нижнем положении, а точки на большом диаметре ее межлопаточной поверхности - в верхнем положении, установки под лопатку со стороны большего диаметра заготовки поддерживающего ложемента, нагрева лопатки со стороны спинки до температуры (700±10)°С, последующего ввода со стороны меньшего диаметра заготовки деформирующего ложемента с перемещением его в горизонтальной плоскости по радиусу до упора и термофиксации лопатки в течение 1-2 мин.