Способ изготовления диска-кольца для газотурбинного двигателя

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при изготовлении дисков роторов газотурбинных двигателей и энергоустановок. Диск-кольцо получают путем раздачи и развертки трубной цилиндрической заготовки. Раздачу и развертку осуществляют многоступенчатой наружной отбортовкой стенки заготовки по частям ее длины. Наружную отбортовку могут осуществлять пуансоном с циклоидальной рабочей поверхностью в интервале температур горячей штамповки. В результате обеспечивается заданный уровень физико-механических свойств дисков из различных деформируемых сталей и сплавов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при изготовлении дисков роторов газотурбинных двигателей и роторов энергоустановок.

Известен способ изготовления диска путем секционной штамповки предварительно осаженной цилиндрической заготовки (Я.М. Охрименко Технология кузнечно-штамповочного производства - М.: Машиностроение, 1976 г. 556 с.).

Недостатком способа является необходимость изготовления специализированной массивной оснастки для каждой номенклатуры дисков и низкая производительность процесса, особенно для дисков газотурбинных двигателей (ГТД), имеющих малую толщину полотна (5-10 мм) из трудно деформируемых жаропрочных сплавов (титановых и никелевых).

Известен способ изготовления диска ГТД путем изотермической раскатки предварительно осаженной заготовки на специализированном стане (Патент РФ №2254195, МПК 21Н 1/02 Способ изготовления осесимметричных деталей. Опубл. 20.06.2005 Бюл. №17).

Недостатком указанного способа также является низкая производительность и необходимость подготовки структуры материала под раскатку, так как последнюю производят в режиме сверхпластичности.

Известен способ изготовления диска ГТД, включающий формовку заготовки стакана и ее последующее формоизменение с получением окончательных размеров диска путем раздачи и разворачивания стенки стакана в плоское кольцо (Патент РФ №2374028, МПК В21К 1/32. Опубл. 27.11.2009 Бюл. №33).

Недостатком способа является необходимость изготовления специализированной штамповой оснастки и использование уникального прессового оборудования большой силы для предварительной формовки заготовки стакана штамповкой.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления диска газотурбинного двигателя из трубной цилиндрической заготовки, включающий ее раздачу коническим пуансоном с получением конической заготовки и последующую развертку этой заготовки в диск - кольцо плоскими плитами под прессом (Патент РФ №2687117 МПК В21К 1/32. Опубл. 07.05.2019 Бюл. №13).

Недостатком способа является необходимость изготовления гаммы массивных конических пуансонов с увеличивающейся конусностью, особенно для изготовления тонкостенных дисков большого диаметра роторов перспективных ГТД (до 1500 мм).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является универсальность применения предлагаемого способа к различным деформируемым сталям и сплавам при минимальных энергосиловых параметрах обрабатывающего оборудования для формоизменения заготовок и обеспечения заданного техническими требованиями уровня физико-механических свойств для дисков ГТД.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкого диска - кольца большого диаметра для газотурбинного двигателя из трубной цилиндрической заготовки большой длины, включающем раздачу трубной цилиндрической заготовки коническим пуансоном с получением конической заготовки и последующую развертку этой заготовки в тонкий диск - кольцо плоскими плитами под прессом, раздачу и развертку трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят по частям длины заготовки путем многоступенчатой наружной отбортовки ее стенки.

При этом наружную отбортовку частей длины трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят циклоидальным пуансоном с рабочей поверхностью.

Кроме того, наружную отбортовку частей длины трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят в интервале температур горячей штамповки стали и сплава.

В способе наружную отбортовку частей длины трубной цилиндрической заготовки в диск - кольцо производят в интервале температур Т_А3>Т_н≥Т_р стали и сплава.

Использование операции многоступенчатой наружной отбортовки стенки трубной цилиндрической заготовки большой длины в кольцеобразное полотно диска - кольца большого диаметра позволяет получать диски ГТД с тонким полотном на оборудовании малой мощности.

Проведение наружной отбортовки частей длины трубной цилиндрической заготовки пуансоном с циклоидальной рабочей поверхностью позволяет получить заготовку диска - кольца с минимальным утонением толщины стенки трубной заготовки по радиусу диска.

Выполнение наружной отбортовки частей длины трубной цилиндрической заготовки производят в интервале температур горячей штамповки стали и сплава, это позволяет провести формовку диска - кольца с минимальным усилием деформации.

Выполнение наружной отбортовки частей длины трубной цилиндрической заготовки в интервале температур Т_А3>Т_н≥Т_р стали и сплава позволяет получить в готовом диске ГТД максимальный уровень физико-механических свойств на краю (ободе) диска - в зоне крепления лопаток.

Наружная отбортовка частей длины трубной цилиндрической заготовки в интервале температур сверхпластичности стали и сплава позволяет значительно снизить силу деформации при формовке диска -кольца.

Сущность предлагаемого технического решения представлена на чертеже фиг. 1. Где схематически изображена начальная стадия многоступенчатой формовки (после трех ступеней отбортовки) диска - кольца отбортовкой стенки трубной заготовки.

Экспериментально доказано, что устойчивость стенки трубной заготовки при нагреве до ковочных температур на жаропрочных сплавах сохраняется при отношении высоты заготовки к толщине стенки не более 7.

Это ограничение и является базовым для задания части трубной заготовки большой длины под ступень отбортовки.

В качестве примера использования предлагаемой заготовки диска может служить заготовка диска ротора компрессора перспективного авиационного двигателя, изготовленная из деформируемого жаропрочного сплава на никелевой основе ЭП742 - ИД.

Заготовка диска с припусками на механическую обработку имеет следующие размеры: внешний диаметр диска - D=800 мм, диаметр отверстия диска - d=120 мм и толщина диска - h=50 мм. Масса поковки диска составляет - 208 кг.

Для изготовления указанной поковки диска ГТД была выбрана трубная заготовка с размерами ∅220 × ∅120 × 900 мм. С учетом указанного выше соотношения по продольной устойчивости трубы, поковка диска была изготовлена за три ступени отбортовки по длине трубной заготовки: 350 мм (1), 350 мм (2) и 200 мм (3), на гидравлическом прессе силой 600 тс. в интервале температур 1050 - 1180°C с использованием циклоидального пуансона с рабочей поверхностью, образованной окружностью ∅120 мм (равной внутреннему диаметру трубы и отверстию диска) и диаметром 120 мм заходной части пуансона.

После трехступенчатой отбортовки трубной заготовки в диск, провели его правку на плоских плитах под прессом.

Изготовление аналогичной поковки диска по традиционной технологии потребует изготовления специальных штампов из жаропрочных сплавов и проведения штамповки в изотермических условиях (Т_ш=1050 - 1100°С) на уникальном прессовом оборудовании усилием более 50000 тс.

По предлагаемому техническому решению изготовление трубной заготовки (в том числе ступенчатой) возможно как прокаткой, так и свободной ковкой на стандартном оборудовании. А операция отбортовки может проводится как на серийных гидравлических прессах, так и на фланце раскатных станках.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать на имеющемся оборудовании на металлургических и машиностроительных заводах России тонкие диски ГТД большого диаметра для перспективных авиационных двигателей большой мощности.

1. Способ изготовления диска-кольца для газотурбинного двигателя, включающий раздачу и развертку трубной цилиндрической заготовки с получением диска-кольца, отличающийся тем, что раздачу и развертку трубной цилиндрической заготовки осуществляют путем многоступенчатой наружной отбортовки стенки заготовки по частям ее длины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наружную отбортовку стенки заготовки по частям ее длины осуществляют пуансоном с циклоидальной рабочей поверхностью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наружную отбортовку стенки заготовки по частям ее длины осуществляют в интервале температур горячей штамповки.