ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

DOI 10.36622/^Ти.2021.17.3.020 УДК 62-213.6

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИ

ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

В.И. Максименков1, М.В. Молод1, В.И. Федосеев2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Филиал ПАО «Корпорация «Иркут», г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассмотрена информация по формообразованию панелей на гибочно-растяжных прессах, позволяющих получать детали требуемого качества. Проанализированы вопросы формообразования осесимметричных оболочек в печах УВН, которые применяются для кожухов шумоглушения турбореактивных двигателей. Приведена технология изготовления металлических звукопоглощающих конструкций (ЗПК) горячей части двигателя. Приведены материалы, применяемые для изготовления ЗПК. Приведена оправа для калибровки осесимметричных оболочек. Выполненный расчёт увеличения диаметра оболочки при нагреве в печи УВН показал, что эта величина определяется коэффициентом линейного расширения материала оправы. Определены деформации и давление, возникающие в процессе формообразования. Приведено сравнение возникающих давлений на сотовом заполнителе с механическими испытаниями образцов и определены предельные напряжения сжатия. Особенность данного метода - малая величина увеличения диаметра оболочки при нагреве. Для расширения технологических возможностей процесса калибровки разработано устройство, позволяющее увеличивать степень деформации при формообразовании оболочки. Приведена конструкция устройства, позволяющая осуществлять процесс формообразования оболочек за счёт колец, выполненных из стали и титана. При этом за счёт различных коэффициентов линейного расширения перемещение дисков передается рычагам и разжимным секторам, контактирующим с оболочкой. Данная конструкция позволяет получать заданную степень деформации для оболочки, меняя геометрические размеры элементов устройства. Разработана методика проектирования устройства. Приведён пример расчёта перемещений рычагов устройства

Ключевые слова: оболочка, оправа, деформация, коэффициент линейного расширения, устройство

Введение

Ужесточение международного стандарта ИКАО ставит сложные задачи перед разработчиками турбореактивных двигателей. Одно из направлений, во многом определяющее конкурентоспособность двигателя, - это его акустические характеристики. Шум двигателя и самолета в целом на режимах взлёта и посадки является определяющим в оценке качества изделия.

В статье рассмотрены вопросы технологий изготовления ЗПК, завершающим этапом которых является получение осесимметричной оболочки.

Вопросы формообразования обшивок и панелей ЗПК рассмотрены в работах [1, 3, 6].

Процессы формообразования осесиммет-ричных оболочек представляют интерес для разработки новых двигателей.

Постановка задачи

Рассмотреть процессы формообразования панелей на гибочно-растяжных прессах.

Провести анализ способов калибровки осесимметричных оболочек.

Разработать способ калибровки осесим-метричных оболочек, позволяющий получать заданную степень деформации.

Формообразование панелей на гибочно-растяжных прессах

Исследование процесса формообразования панелей ЗПК на прессах ГРП 160/1200 и FEKD с ЧПУ представлено в работах [2,4,5,7].

Основные материалы, применяемые для изготовления несущих слоёв сотовых панелей и сотового заполнителя, - нержавеющие стали (12Х18Н10Т) и титановые сплавы (ОТ4-1 и ВТ1-0).

Комплекс проведённых исследований однослойных и двухслойных панелей позволил выявить зависимости остаточного радиуса кривизны от толщин несущих слоёв (рис. 1а, 1б), высоты заполнителя (рис. 1в), положения срединного несущего слоя при формообразовании двухслойной панели (рис. 1г). Приведённые зависимости позволяют разработчикам оценивать технологичность панелей на стадии их проектирования, прогнозировать их качество.

© Максименков В.И., Молод М.В., Федосеев В.И., 2021

Рис. 1. Графики зависимостей, полученные в результате испытаний

Способы калибровки осесимметричных оболочек

Известен способ формообразования оболочек с растяжением разжимными пуансонами в холодном состоянии (рис. 2), когда заготовка растягивается секторами пуансона в радиальном направлении до заданной степени деформации [8].

Р

Рис. 2. Формообразование оболочки разжимными пуансонами: 1 - конус; 2 - разжимной пуансон; 3 - заготовка

Если применить этот способ к калибровке оболочек ЗПК, то видим, что к наружной обо-

лочке прикладываемое усилие передается через сотовый заполнитель (рис. 3). Основными критериями, ограничивающими данный процесс формообразования, являются наличие отпечатков на внутренней поверхности оболочки, а также возможное превышение допустимых напряжений сжатия сотового заполнителя, определяемые при механических испытаниях образцов. То есть необходимо выполнение условия согласно зависимости (1):

q<[Oсж], (1)

где [осж] - допустимые напряжения сжатия сотового заполнителя, кг/мм2;

q - давление разжимных пуансонов на внутреннюю обшивку оболочки, кг/мм2; определяется по формуле (2):

q=o1•h1/R1, (2)

где о1 - радиальные напряжения внутренней и наружной оболочек, кг/мм2;

Ы - толщина внутренней и наружной оболочек, мм;

R1 - радиус внутренней оболочки, мм.

Рис. 3. Схема распределения давления по обшивке оболочки

Учитывая, что осесимметричная оболочка состоит из отдельных секторов панелей, соединенных сваркой и требующей последующей термообработки, преимущество по калибровке получают процессы формообразования с нагревом в печах УВН.

Формообразование оболочек с нагревом в печах УВН

Проведенный анализ способов формообразования оболочек показал их преимущества и недостатки и выявил необходимость совмещения процесса деформирования оболочки с ее отжигом.

Проводимые исследования по калибровке осесимметричных оболочек в холодном состоянии выявили один из факторов - продольные сварные швы в зоне соединения секторов и

коробление, которое трудно устранить при формообразовании ранее рассмотренными методами.

Поэтому предлагается процесс калибровки оболочек с нагревом (рис. 5). При этом усилие калибровки создается за счет температурного расширения оснастки.

Рис. 4. Схема калибровки: 1 - оправа; 2 - осесимметричная оболочка

Процесс калибровки осуществляется в вакуумной печи УВН при температуре 850°С. При нагреве оправы происходит увеличение ее диаметра Лd, которое определяется по формуле (3):

ьа = а-а-(т - т0), (3)

где d-диаметр оправы, мм;

а - коэффициент линейного расширения, для стали равен 19,4-10-6 1/°С ; Т - температура печи, °С ; Т0 - начальная температура, °С . Деформации оболочки 61, б2 при нагреве определяются по зависимости (4) и (5):

-; (4)

£1

£2

й1н — ^2н

й

(5)

2н

где dlн, d2н - диаметр верхней и нижней частей оправы при температуре 20°С;

d1к, d2к - диаметр верхней и нижней частей оправы при температуре 850°С;

Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты расчетов и входные данные

Материал а а 43 а а 43 О о^ ю О X а а а <1 а а 43 <1 0х ¿6 сЗ Ш

н

о

К О О <м

00 о О СЛ -н -н

<м

Необходимое давление по сечениям осе-симметричной оболочки имеет вид (формула 6):

Ч = (6)

где ол - предел текучести обшивок, кг/мм2; R - радиус сечения оболочек, мм; h - толщина обшивок.

Рис. 5. Схема распределения давления по высоте оболочки

Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчетов

Материал а а а а сч а а 1а о сч а а 1а о а а к а а * а а Рй5 сч а а !а с? сч а а !а сч С? сч а а X ] о £

н

о

Рч 00 с^, сч с^, о о «ч о <М О ич о <М

о о <М СП О о О

<м

При калибровке оболочки с нагревом выполняется условие ?1<[асж].

Применение оправы для калибровки оболочек обеспечивает увеличение диаметра оправы, зависящего от коэффициента линейного расширения.

Методика проектирования устройства для калибровки оболочек

Разработана методика проектирования устройства.

На рис. 6, 7, 8 представлены схемы устройства, позволяющие определять величину перемещения различных секторов с учетом геометрических размеров устройства, кинематики перемещения элементов устройства с различным коэффициентом линейного расширения при нагревании печи.

Рис. 6. Схема устройства для калибровки: 1 - стойка; 2, 4 - стальные кольца; 3 - титановое кольцо; 5 - разжимные сектора; 6, 7 - рычаги; А0-В0 - начальное положение разжимных секторов; А1-В1 - конечное положение разжимных секторов

Рис. 7. Схема устройства для определения параметров процесса

Рис. 8. Схема устройства для определения параметров процесса

Перемещение концов рычагов определяется по полученной зависимости (7):

^ Ь - а + ДЬ - Да ^

Д/ = Да + R

b - а + ДЬ-Да)2 + h2 b - a

7(b - a)2 + h 2

(7)

где а - радиус среднего кольца до места шарнирного крепления рычага, мм;

Ь - радиус верхнего кольца до места касания рычага, мм;

R - длина рычага, мм;

Да - увеличение радиуса среднего кольца при нагреве, мм;

ДЬ - увеличение радиуса верхнего кольца при нагреве, мм;

Н - расстояние между средним и верхним кольцом, мм.

Пример расчёта перемещений верхней части рычага устройства приведён в табл. 3.

Таблица 3 Параметры процесса калибровки

Материал а, мм м £ R, мм h, мм °С FH ® X а м Да м ДЬ м ДД

12Х18Н10Т 2 4 «ч 8 4 2 8 as m 19,4 ГО го" 8, 19,6

ОТ4-1 8,15

Из приведённых расчётов видно, что увеличение радиуса оболочки при калибровке составляет 19,6 мм.

Аналогично определяется перемещение нижней части рычагов устройства.

Приведённая конструкция устройства для калибровки оболочек позволяет значительно расширить технологические возможности процесса формообразования, осуществляя переформовку из цилиндра в конус, а также формообразование оболочек двойной кривизны. Проведённые экспериментальные исследования подтвердили возможность появления оболочек требуемого качества.

Выводы

1. Комплекс проведенных исследований по формообразованию сотовых панелей позволил прогнозировать качество получаемых панелей при их проектировании с учетом их конструктивных параметров.

2. Разработана конструкция устройства для калибровки оболочек с повышенными технологическими возможностями, расширяющие технологии формообразования получаемых деталей.

3. Рассмотрен процесс калибровки осе-симметричных оболочек, позволяющий с учетом геометрии деталей, их материалов, кинематических особенностей устройства, получать детали требуемого качества.

4. Разработана методика проектирования устройства для калибровки оболочек, позволяющая осуществлять процесс формообразования оболочек с учетом заданных геометрических размеров.

Литература

1. Одинг С.С. Управление процессом формообразования обшивок двойной кривизны на обтяжном оборудовании с программным управлением // Известия вузов. Авиационная техника. 1987. С. 39-43.

2. Исследование кинематической схемы последовательной обтяжки оболочек двояковыпуклой формы на обтяжном прессе FEKD / В.А. Михеев, Ф.В. Гречников, С.Г. Дементьев, В.П. Самохвалов, Д.В. Савин, С.В. Су-рудин // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. Т. 16. № 6. С. 172-179.

3. Пат. 24596801 Российская Федерация. Способ обтяжки листовых материалов / Максименков В.И., Молод М.В., Ляхова Н.Е., Решетникова Е.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». опуб. 27.08.2013, Бюл. № 24. 1 с.

4. Одинг С.С., Молод М.В. Повышение технологических возможностей процесса обтяжки на прессах с ЧПУ // Прогрессивные технологии авиационного и машиностроительного производств. Аэродинамика, механика и технология авиастроения. Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 18-22.

5. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением / В.А. Голенков, А.М. Дмитриев, В.Д. Кухарь, С.Ю. Радченко. М.: Машиностроение, 2004. С. 464.

6. Молод М.В. Разработка универсального пуансона // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 16. № 1. С. 55-57.

7. Молод М.В., Максименков В.И., Федосеев В.И. Формообразующие технологии для изготовления кожухов шумоглушения турбореактивного двигателя // Вестник СГАУ. 2018. Т. 17. № 3. С. 167-174.

8. Пат. 1208661 Российская Федерация. Устройство для калибровки полых деталей термофиксацией / Макси-менков В.И. Гальченко Б.В., Вязьмикина Н.И., Писарен-ко В.Е., Токарев А.С. опуб. 11.03.1984.

Поступила 03.03.2021; принята к публикации 18.06.2021 Информация об авторах

Максименков Владимир Иванович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: maksimenkov.v.i@mail.ru

Молод Марина Владиславовна - д-р техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: molodmv@yandex.ru

Федосеев Владислав Игоревич - ведущий инженер-конструктор, филиал ПАО «Корпорация «Иркут» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: vladislav.f@inbox.ru

FORMATION OF AXISYMMETRIC SHELLS FOR THE HOT PART OF A TURBOJET ENGINE

V.I. Maksimenkov1, M.V. Molod1, V.I. Fedoseev2

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Branch of "Corporation "Irkut ", Voronezh, Russia

Abstract: the article considers the information on the shaping of panels on stretch-bending presses, allowing to obtain parts of the required quality. We analyzed the issues of the formation of axisymmetric shells in UHH furnaces, which are used for noise damping casings of turbojet engines. We present the technology of production of metal sound-absorbing structures (SAD) of the hot part of the engine. We give the materials used for the manufacture of SAD. We show the frame for the calibration of axisymmetric shells. The performed calculation of the increase in the diameter of the shell when heated in the UHH furnace showed that this value is determined by the coefficient of linear expansion of the frame material. We determined deformations and pressure arising in the process of shaping. We give comparison of the arising pressures on the honeycomb filler with mechanical tests of samples and determined the limiting compressive stresses. A feature of this method is a small increase in the diameter of the shell during heating. To expand the technological capabilities of the calibration process, we developed a device that makes it possible to increase the degree of deformation during the shaping of the shell. We present the design of the device, which allows the process of forming shells at the expense of rings made of steel and titanium. At the same time, due to various coefficients of linear expansion, the movement of the disks is transferred to the levers and expanding sectors in contact with the shell. This design makes it possible to obtain a given degree of deformation for the shell by changing the geometric

dimensions of the device elements. We developed a methodology for designing a device. We give an example of calculating the displacement of the device levers

Key words: shell, strain, coefficient of linear expansion, device

References

1. Oding S.S. "Process operation of forming double curvature sheeting on the tight press with numerical control", News of Higher Institutions. Aircraft Engineering (Izvestiya vuzov. Aviatsionnaya tekhnika), Kazan', 1987, pp.39-43.

2. Mikheev V.A., Grechnikov F.V., Dement'ev S.G., Samokhvalov V.P., Savin D.V., Surudin S.V. "The study of the kinematic scheme of the sequential covering biconvex shape shells on the press FEKD", News of Samara Scientific Center of RAS (Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN), 2014, vol. 16, no. 6, pp.172-179.

3. Maksimenkov V.I., Molod M.V., Lyakhova N.E., Reshetnikova E.V. "Method of covering sheet materials" ("Sposob ob-tyazhki listovykh materialov"), patent 24596801 pub. 27.08.2013, bull. no. 24, 1 p.

4. Oding S.S., Molod M.V. "Increase of stretch forming process technology options by forming press with numerical control", Progressive Technologies of Aviation and Engineering Manufacture. Aerodynamics, Mechanics and Aviation Technology (Progressivnye tekhnologii aviatsionnogo i mashinostroitel'nogo proizvodstv. Aerodinamika, mekhanika i tekhnologiya aviastroeni-ya), Voronezh State Technical University, 2000, pp.18-22.

5. Golenkov V.A., Dmitriev A.M., Kukhar V.D., Radchenko S.Yu. "Special technological processes and equipment of processing by pressure" ("Spetsialnye tehnologicheskie protsessy i oborudovanie obrabotki davleniem"), Moscow, Mashinostroenie, 2004, 464 p.

6. Molod M.V. "Development of a universal poinson", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2012, vol. 12, no. 1, pp.55-57.

7. Molod M.V., Maksimenkov V.I., Fedoseev V.I "Forming technologies for making acoustic covers of TJE", Bulletin of SSAU (Vestnik of SGAU), 2018, vol. 17, no. 3, pp.167-174.

8. Maksimenkov V.I., Galchenko B.V., Vyaz'mikina N.I., Pisarenko V.E., Tokarev A.S. "The device for calibration of hollow parts by thermal fixation" ("Ustroystvo dlya kalibrovki polykh detaley termofiksatsiey"), patent 1208661 publ. 11.03.1984.

Submitted 03.03.2021; revised 18.06.2021

Information about the authors

Vladimir I Maksimenkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: maksimenkov.v.i@mail.ru

Мarina V. Molod, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: molodmv@yandex.ru

Vladislav I Fedoseev, Lead Engineering Designer, Public Company «Corporation «Irkut» (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: vladislav.f@inbox.ru