Изготовление точных шестигранных профилей из титановых сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.771.2: 669.295

Ю. С. Кресанов, А. Я. Качан, А. В. Богуслаев, А. А. Войтенко

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТОЧНЫХ ШЕСТИГРАННЫХ ПРОФИЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

В работе разработана технология и рассмотрены вопросы профилирования валков для прокатки предварительного шестигранного профиля (ШП) с последующим волочением и правкой для обеспечения точности.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Отраслевыми и другими стандартами предусмотрена прокатка ШП из углеродистых и других сталей размерами от 7 до 80 мм. Металлургическая промышленность для авиационной промышленности требуемых ШП не производит, что связано со спецификой используемых материалов, в том числе и со свойствами титановых сплавов, а также большой номенклатурой и малой их партионностью.

Значительный рост цен на конструкционные материалы (титан, алюминий, жаропрочные сплавы) за последнее время привел к тому, что составляющая затрат на материалы в производстве авиационных двигателей увеличилась с 30 до 60 % [1 ]. Уменьшение расхода металла и снижение трудоемкости при производстве деталей авиационных двигателей является актуальной и важной проблемой современного двигателестроения, поскольку повышает их конкурентную способность.

Цель работы — разработка технологии изготовления точных шестигранных профилей из титановых сплавов.

16

и

-ЕБШ

Содержание и результаты исследований

Разработка технологии получения точных ШП из титановых сплавов по схеме (рис. 1) базировалась на имеющемся на ОАО «Мотор Сич» оборудовании: непрерывном трехвалковом стане 280 [2] и волочильном стане усилием 300 кН (рис. 3, поз. 2).

Разработку параметров рабочей части валков и технологического процесса волочения производим для наиболее распространенного размера ШП 17 мм из титанового сплава ВТ3-1.

Предварительная оценка жесткости клети стана 280 и относительно малая длина исходного прутка, что на значительной его части предопределяет неустановившийся процесс прокатки, выявили невозможность получения готового ШП с допусками, соответствующими нормативной документации. Поэтому была принята технологическая схема получения точного ШП размером более 14 мм методами прокатки предварительного и волочения окончательного ШП.

4 Р

ф ф Ф 0-0-

ЕБЕШ

8

ZZD2

10

Рис. 1. Технологическая схема получения шестигранных профилей из титанового сплава

1 — исходная заготовка: а — пруток; б — шестигранник; 2 — острение конца; 3 — обдувка; 4 — отжиг оксидирующий; 5 — смазка; 6 — волочение; 7 — правка предварительная; 8 — термообработка; 9 — правка окончательная; 10 — мерное травление

© Ю. С. Кресанов, А. Я. Качан, А. В. Богуслаев, А. А. Войтенко, 2009

Практически известны несколько способов прокатки ШП, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки [3].

Для прокатки ШП выбрана наиболее приемлемая технологическая схема: круглая заготовка — прокатка в предчистовом и чистовом калибрах (рис. 2).

Чистовой калибр расположен таким образом, чтобы разъем валков располагался по середине боковых граней шестигранника, что обеспечивает хорошее выполнение углов профиля и нивелирует неизбежные в процессе прокатки колебания величины уширения на размеры ШП. Это обстоятельство предполагает также, что избыток или недостаток металла, идущего в уширение, располагается по всей длине боковых граней и не может в значительной степени исказить ширину профиля, полученную при первоначальной настройке.

Так как требуемый ШП размером 17 мм получают методом волочения, то размер прокатываемого ШП принимаем, исходя из (4......10)% обжатия (вытяжки) при волочении.

При этом для прокатки имеем диаметр вписанной окружности 18-0,4 мм.

Расчет построения ручьев валков (калибровки) для трехпарного непрерывного стана 280 начинаем с чистового калибра (см. рис. 2, поз. 2). Задавшись средним размером холодного профиля 17,8 мм (^х), определяем размеры горячего профиля (dI)\

— диаметр вписанной окружности

dг = dх (1+И),

(1)

где X = 1,009 — коэффициент линейного расширения сплава ВТ3-1 при температуре 900 °С; — стороны (грани) ШП

С Г = = 0,577*3 Г

V з :

(2)

— диаметр описанной окружности (размер между противоположными ребрами)

23 г пГ =—= 2С

л/3

Г.

(3)

1

10,54** (10,36*)

3

2

* — РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ** — ФАКТИЧЕСКИЕ ЗНАЧЕНИЯ

Рис. 2. Калибровка валков для прокатки предварительного шестигранного профиля под волочение

1 — предчистовой калибр горизонтальный; 2 — чистовой калибр вертикальный; 3 — калибровочный ручей горизонтальный

Для облегчения выхода профиля из калибра и предупреждения его переполнения при случайном увеличении уширения, уклоны боковых граней принимаем равными 2° (^ ф = 0,035), а зазор между верхним и нижним ручьями t = 0,1 кг = 2 мм. Тогда ширина калибра в месте разъема валков будет

в г = 3 г + 2

СГ - г 2

а площадь чистового калибра:

■Я

Кч = зГ = 0,8663Г .

(5)

Размеры и форма чистового калибра представлены на рис. 2 (поз. 2).

Предчистовой калибр (рис. 2, поз. 1) строим с уклоном боковых стенок 45°, в верхней и нижней образующих выполняется вогнутость со стрелой прогиба 0,5 мм, которая способствует предотвращению получения в чистовом калибре выпуклой боковой грани, и минимальными радиусами закруглений (Я 0,2 мм) или без них.

Уширение в предчистовом калибре определим по выражению [3]:

ЛИ

Ав = 0,35^—Л1КК ЛИ В

(6)

где К = 0,62 — по опытным данным для титановых сплавов;

Лк — обжатие в предчистовом калибре, Лк =В-к; В — ширина предчистового калибра, которую принимаем при заданном коэффициенте высотной деформации ц = 1,35, В = цк;

Як — катающий радиус [4, выражение (14, а)]. Катающий диаметр (радиус) примем равным

Д = Д - И

о пр 1

(7)

(4) гдек пр — приведенная высота чистового калиб-

ра;

До = 280 мм (межцентровое расстояние валков для стана 280).

И =

г1пр

Г

(8)

При этом геометрия предчистового калибра составляет:

— высота Н = 3Г - Ав ,

(9)

— ширина по дну калибра Вдн = В - (Н - 5), (10)

— площадь Кпр = ВН -

~ I Н — 5 I ^

21 2 I + Вднг

(11)

Из приведенных выражений очевидно, что размеры предчистового шестиугольного калибра в значительной степени зависят от расчетного уши-рения, при этом вытяжка в чистовом калибре будет

к

Ц2

пр

Кч

(12)

Таблица 1 — Характеристика калибров

^^^^^^ Характеристика ^^^^^калибра Вид ^^^^^^ калибра ^^^^ Площадь к * чист, мм2 Коэф. высотной деформации Уширение Ав, мм Катающий радиус Як, мм Вытяжка, Ц

Предчистовой 344,8 1,35 1,5 134,85 1,23

7,28

Чистовой 279 1,8 132,35 1,20

Калибровочный 279 - 136,27 1,07

Диаметр исходного прутка - расчетный -- принятый - 23,0 мм 25,2 мм Це = 1,48

Таблица 2 — Частота вращения валков в зависимости от вида калибра

Вид калибра Частота вращения, п (мин-1)

валков двигателя

теоретическое теоретическое фактическое

Чистовой 36,6 640 520

Предчистовой 29,8 521,5 460...490

Калибровочный 57 969 870

Наиболее рациональной заготовкой для прокатки ШП (в нашем случае) является круглый профиль, диаметр которого определим по размерам соответственной полосы.

При принятом коэффициенте высотной деформации размеры соответственной полосы равны:

— высота — И сп = цИ; (13)

— ширина — Всп = (0,80...0,85)В . (14)

Тогда ^ = РспВсп,

(15)

А274Л ,

а диаметр исходного прутка d з = —-. (16)

1+ Х1

Для выполнения требований к готовой детали на исходном прутке перед прокаткой не допускаются поверхностные дефекты, а шероховатость его должна быть не хуже Яа =6,3 мкм. При использовании прутков в горячекатаном состоянии они должны быть обработаны с удалением дефектного слоя и обеспечением требуемой шероховатости.

Характеристики деформации в предчистовом калибре будут:

— обжатие А— = Исп - И ;

— уширение Ае1 = 0,35КН-^-^кАК .

(17)

(18)

На рис. 2 представлена калибровка валков для прокатки ШП 17,8 мм, а в табл. 1 результаты расчета.

Прокатка ШП происходит одновременно в 3-х парах валков, а скорости выхода полосы из валков, ввиду наличия опережения, изменяются и не совпадают с оборотами самих валков. Поэтому необходимо согласование частоты вращения валков последующего калибра с предыдущим — по выражениям (5......11) [2]. Аналитические расчеты и

фактическая частота вращения двигателей пред-

Рис. 3. Участок волочения прутков электропечь; 2 — волочильный стан; 3 обжимной

ставлены в табл. 2. Прокатка ШП производится с нагревом исходной заготовки в электропечи до температуры (Тпп — 30) °С (где Тпп — температура полиморфного превращения титанового сплава), которая регламентируется требуемой структурой и свойствами материала.

Контроль поверхности (100%) прокатанного предварительного ШП обусловлен недопущением под последующее волочение грубых дефектов, нарушающих сплошность металла.

Прокатанный ШП доводится до стандартных размеров методами волочения на цепном волочильном стане усилием 300 кН (рис. 3, поз. 2). Суммарный припуск ШП, полученного волочением, принимается из условия утонения размера при обдувке и травлении на выявление дефектов, составляющего суммарно 0,05 мм, правке — 1,5% и гарантированного снятия дефектного поверхностного слоя, обусловленного нагревами в воздушной атмосфере не менее 0,12 мм (см. рис. 1, поз. 7, 9, 10).

Для задачи (шестигранного, круглого) прутка в фильеру его концы длиной 180......200 мм утоняют на 0,1......0,4 мм относительно канала фильеры горячей вальцовкой на вальце обжимного стана (см. рис. 1, поз. 2).

Перед волочением после заправки концов прутки покрывают смазкой, которой предшествует обдувка мелким песком и оксидация при температуре 730 °С в течение 10......15 мин. Ввиду высокой склонности титанового сплава к адгезии оксидация, наравне со смазкой, предотвращает налипание металла на фильеру при волочении. Смазка наносится методом окунания прутков в течение 3......7 с. Прутки нагревают до температуры

(80......100) °С и окунают в ванне следующего

состава, растворенного в воде: бура техническая —

(7......8)%, мелкодисперсный графит — (15......18)%,

тальк молотый — (3......4)%, эмульгатор ОП-7 —

0,05%.

После полного высыхания смазки прутки нагревают в проходной электропечи (рис. 3, поз. 1) при температуре (550......750) °С. Критерием выбора температуры нагрева прутков является качественное выполнение геометрии ШП, при котором обеспечивается заполнение углов граней и не происходит его утонение. Рабочая поверхность фильеры должна постоянно или перед каждым проходом смазываться смазкой в составе: молибденит ДМ1 (ТУ 48-19-133) — 70% и эмульгатор ОП-7 — 20%.

Максимальная величина обжатия на первых проходах составляет 20%, на последующих (в том числе и калибрующем) — 10%.

ШП размером менее 14 мм получают только волочением за несколько переходов, при котором происходит постепенное формоизменение круглого сечения. После каждого перехода про-

1

стан

изводят 100% контроль состояния поверхности. Это позволяет удалить выявленные дефекты глубиной в пределах минусового допуска пологой зачисткой.

На термообработку прутки поступают с кривизной не более 1,0 мм на 300 мм длины. Эти требования прямолинейности ШП не удастся получить в процессе прокатки и волочения, поэтому он перед термообработкой и после первого отжига подвергается предварительной правке растяжением с удлинением не более 0,5%.

Термообработка (для титанового сплава ВТ3-1) по режиму двойного отжига с нагревом в электропечи на поддонах с песком (высота насыпки —

20......30 мм и укладкой не более чем в 2 ряда)

(первая ступень при температуре 900 °С, вторая — 680 °С) придает деформируемому материалу окончательные механические свойства и структуру, требуемые нормативной документацией.

Важным требованием для изготовления крепежных деталей (гайки, болты) на станках автоматах является прямолинейность (минимальная кривизна) обрабатываемого ШП, а прокатка, волочение и термообработка не позволяют их выполнить.

Поэтому прутки ШП перед механической обработкой подвергаются окончательной правке методом горячего растяжения на специализированной установке (рис. 4, табл. 3).

При окончательной правке прутков ШП максимальное растяжение находится в пределах 1 %, а суммарное утонение с предварительной правкой — 1,5% во избежание нежелательного изменения размеров. Нагреваемый пруток зажимается между двумя парами водоохлаждаемых контактов (2 и 5), соединенных со вторичной обмоткой трансформатора (6). Пропусканием тока пруток разогревается до необходимой темпера-

Рис. 4. Установка для правки прутков

1 — электродвигатель регулировки захвата; 2 — контакт-захват регулируемый; 3 — термометр; 4 — цилиндр тянущий; 5 — контакт-захват тянущий; 6 — трансформатор

туры (табл. 4), которая устанавливается либо по реле времени, либо фотопирометром (3).

Для надежного подвода тока и предотвращения прижогов концы прутка в местах соприкосновения с контактами обдуваются и травятся или механически зачищаются.

Время нагрева до требуемой температуры определяется по выражению [5]:

г =-

4Л80еАТ

РаП

а Утр

, сек,

(19)

где О — масса нагреваемого прутка, кг;

с — средняя удельная теплоемкость материала, ккал/кг °С (например, для сплава ВТ8 с = 0,12 ккал/кг °С);

АТ — градиент повышения температуры прутка, °С;

Та блица 3 — Техническая характеристика установки для правки прутков методом электросопро-

тивления

Позиция Характеристика Величина

Трансформатор Мощность 100 кВт

Первичное напряжение 380 В

Вторичное напряжение 12, 24, 30, 40 В

Цилиндр натяжения Давление воздуха 0,5 МПа

Усилие 50 кН

Размеры рихтуемых прутков:

длина: максимальная 2,5 м

минимальная 0,4 м

диаметр 20 мм

Ра — средняя активная мощность трансформатора, развиваемая в процессе нагрева, Вт

(например, для прутка из сплава ВТ-8 диаметром 16 мм — Ра =11 кВт);

Пщ, — коэффициент полезного действия трансформатора (для указанной установки цщр > 0,75).

Таблица 4 — Предельная температура нагрева прутков шестигранных профилей при правке

Марка титанового сплава Температура нагрева, °С

ОТ4-1 850

ВТ3-1 880

ВТ-8 900

Время нагрева для соответствующего материала и размеров прутка, определенное по выражению (19), корректируется с помощью оптического фотоприбора или термопары. Неравномерность нагрева прутка из-за недогрева под водоохлаж-даемыми контактами не сказывается на их кривизне ввиду малой величины контактируемых зон.

С целью предотвращения коробления прутков после правки из-за неравномерного охлаждения последние охлаждаются на установке до температуры не более 300 °С без снятия нагрузки растяжения.

Так как все нагревы, связанные с деформацией, выполняются в воздушной атмосфере, то на заключительных операциях изготовления ШП необходимо удаление дефектного (альфирован-ного) слоя. Отрихтованные прутки, предварительно обдутые и обезжиренные, проходят мерное травление в растворе азотной и фтористоводородной кислот (3:1) при температуре (18......25) °С в

течение 1......3 мин. При этом съем металла, установленный опытным путем, должен составлять не менее 0,12 мм на размер (фактически на прутках диаметром 8......12 мм стравливается 0,3 мм, а

диаметром более 14 мм — 0,4 мм).

До травления 3......5 прутков от партии, размещаемой в травильной ванне, контролируются по размеру всех граней в трех позициях — по сере-

дине и с обоих концов. Контрольные прутки ШП служат в дальнейшем для проверки величины съема металла. Эти же прутки после травления со снятым гарантированным слоем и имеющие требуемую геометрию проверяют по той же схеме на наличие дефектного слоя методом измерения микротвердости, которая для титановых сплавов не должна превышать Н ^ 500.

Прутки после правки и травления контролируются (100 %) по геометрии по всем граням и длине и на наличие растрава поверхности, который не допускают путем периодического встряхивания прутков в травильной ванне.

От каждой партии-плавки-термосадки окончательно готовый ШП проходит металлургический контроль, при котором проверяются механические свойства, микро- и макроструктура (табл. 5).

Макроструктура полученного ШП матовая и не имеет расслоений, трещин и включений. Микроструктура соответствует 1.. .3 типу (норма 1.. .4 тип), а величина зерна — 1.2 баллу (норма не более 3 балла по шкале ВИАМ) (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктура прутков шестигранных профилей

Результаты работы

Прутки ШП (рис. 6), идущие для изготовления крепежных деталей (болтов, гаек) авиационных двигателей и изготовленные по разработанной технологии, по механическим свойствам, микро- и макроструктуре полностью отвечают требованиям нормативной документации, предъявляемым к основному материалу по ОСТ 190006.

Таблица 5 — Механические свойства шестигранных профилей

Материал, титановый сплав Состояние материала Механические свойства

Предел прочности, ао, МПа Относительное Ударная вязкость, КСИ, Дж/см2

удлинение % сужение V, %

ВТ3-1 отожженный 1060-1120 16-22 40-54 32-36

ВТ-6 - // - 970-1100 14-20 38-47 36-38

ОТ4-1 - // - 620-760 20-26 41-50 48-50

По геометрии шестигранные прутки соответствуют 5 классу точности ОСТ 1025 за исключением отклонения диаметра описанной окружности по одной из диагоналей грани на 0,4 мм ниже нижнего предела по ОСТ (стандарт ОАО «Мотор Сич») ввиду трудности выполнения горячей деформацией для титановых сплавов сравнительно острых углов. Кривизна прутков составляет не более 2 мм, а скручивание вокруг продольной оси — 8° на 1 м длины.

Рис. 6. Прутки шестигранных профилей

Перспективы дальнейших разработок

В связи с дороговизной используемых материалов целесообразно разработать процесс получения прутков ШП из нержавеющих и жаропрочных сплавов, а также на базе стана 280 — процесс передела прутков с большего на меньший диаметр, который в настоящее время не производит металлургическая промышленность.

Выводы

Проведенные исследования и разработанный технологический процесс изготовления прутка ШП из титановых сплавов методом прокатки и волочения без последующей механической обработки по граням для крепежных деталей авиадвигателя позволили повысить на 30......40 % коэффициент использования металла и снизить на 40......60 % трудоемкость их изготовления.

Перечень ссылок

1. Чуйко В. М. 10-й Международный салон «Дви-гатели-2008» станет крупным событием / В. М. Чуйко // Новости десятого международного салона «Двигатели-2008». — Изд-во газеты «Аэромедия». — 2008. — № 1.

2. Прогрессивная технология изготовления профильных кольцевых заготовок для авиационных газотурбинных двигателей / [Ю. С. Кре-санов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, А. А. Войтен-ко] // Вестник двигателестроения. — 2007. — № 1. — С. 116—125.

3. Бахтинов Б.П. Калибровка прокатных валков / Б. П. Бахтинов , М. М. Штернов. — М. : Метал-лургиздат, 1953. — 783 с.

4. Кресанов Ю.С. Аналитическое определение катающего радиуса при прокатке в калибрах с заусенцем / Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан // Вюник двигунобудування. — 2006. — № 4. — С. 80-82.

5. Ковка и объемная штамповка стали / [под ред. М. В. Сторожева]. — М. : Машиностроение, 1967. — 165 с.

Поступила в редакцию 15.С9.2СС8

У po6omiрозроблено технологт тарозглянуто питання профыювання валшв для прокатки попереднього шестигранного профыю (ШП) з наступним волочтням i правкою для забезпечення точностi.

The article represents a development of roller contouring technology for pre-rolled hexagon cross-section type blanks (HB) followed with dragging and straightening procedure to assure accuracy.