CC BY
51
УДК 621.438.002.2
Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, А. А. Войтенко
ПРОГРЕССИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПРОФИЛЬНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Представлен прогрессивный технологический процесс и оборудование для изготовления высокоточных профильных кольцевых заготовок (КЗ) с низкой трудоемкостью и металлоемкостью.
Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами
Постоянное увеличение стоимости материалов в машиностроении, а особенно при изготовлении авиационных газотурбинных двигателей, выдвигает настоятельные требования применения технологических процессов, снижающих материалоемкость изделий.
В производстве современных авиационных двигателей большую долю серийности, наравне с лопатками, занимает изготовление деталей типа колец (направляющие аппараты, корпуса высокого и низкого давлений, камера сгорания, сопловые аппараты и др.).
Детали типа колец изготавливают из заготовок, полученных различными методами: свободной ковкой с раскаткой на молотах, объемной штамповкой, раскаткой на раскатных станах, отрезкой из трубной заготовки, гибкой плоских и профильных полос с последующей сваркой.
Раскатка КЗ на молотах свободной ковки предполагает помимо тяжелого ручного труда и большие припуски для дальнейшей механической обработки.
Изготовление КЗ методом штамповки приводит, помимо недостатков указанных выше, к большому расходу металла из-за потерь на выдру и заусенец. Получение КЗ методом раскатки на раскатных машинах (станах) является одним из распространенных способов их получения, так как предполагает применение универсальной оснастки. Но оборудование является очень громоздким и дорогостоящим и при его применении проблематично получение КЗ с тонкими сечениями, в технологическом процессе имеются потери металла при прошивке отверстий в поковке и большие припуски. Кроме того, ограничен коэффициент обжатия за один проход. При коэффициенте обжатия больше 3 и сложном профиле кольца раскатку производят за несколько переходов.
При изготовлении колец из трубных заготовок большой проблемой является получение требуемых размеров труб по внешнему и внутреннему диаметрам и их огромная номенклатурность, что
экономически невыгодно при малой серии производства.
Изготовление КЗ гибкой плоских и профильных полос с последующей сваркой применяется для широкой гаммы размеров колец, экономическая эффективность которых увеличивается с увеличением точности изготовления КЗ и приближением их конфигурации к контуру готовой детали (табл. 1).
Изготовление сварных КЗ из непрофилирован-ного листа на ОАО " Мотор Сич" получило широкое распространение, однако появилась настоятельная потребность в получении профильных КЗ из жаропрочных и титановых сплавов, нержавеющих и конструкционных сплавов, максимально приближенных к контуру готовой детали (рис. 1).
а б
Рис. 1. Сварная кольцевая заготовка из профильного проката (а) и листа (б)
Цель работы
Разработка прогрессивной технологии изготовления кольцевых заготовок с низкой трудоемкостью и металлоемкостью.
Результаты работ и исследований
Для изготовления кольцевых заготовок с малой трудоемкостью и металлоемкостью на ОАО "Мотор Сич" создан комплекс оборудования, прове-
© Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, А. А. Войтенко, 2007 - 116 -
Таблица 1 - Сравнительный анализ технологий изготовления кольцевых заготовок
дены исследования и разработан прогрессивный технологический процесс, предусматривающий прокатку профильной полосы, гибку ее в кольцо и сварку (рис. 2).
Прокатка профильной полосы по геометрии, соответствующей сечению КЗ, производится из полосы, порезанной из листа на гильотинных ножницах. Толщина полосы принимается из условия:
Нпол - (2,\...2,Ъ)Ипр , (1)
где 1ппр - толщина профильной полосы.
Ширину полосы принимаем равной:
Впол - (1,7...2,6)1 пр , (2)
где 1Пр - развертка профиля прокатываемой поло-
сы.
Длина такой полосы должна соответствовать:
I +м
1пол т ^ 1
Ц0
(3)
где кБКЗ - развертка сечения КЗ,
ц0 - общий коэффициент вытяжки (удлинения) профильной полосы при прокатке в 1, 2 и 3 калибрах
Рип
Ц0 -Ц1к -Ц2к * Н-3к -
Р
КЗ
где Гип, Гкз - площадь сечения исходной (листовой) полосы и КЗ соответственно;
А/ - длина концевых отходов профильной полосы, вызванных неустановившимся процессом прокатки на входе и выходе полосы из валков в первом и третьем калибрах.
Для стана 280 А/ = (40...60) мм.
Порезка Нагрев Прокатка
листа — листовой — профильной
на полосы полосы полосы
Обрезка профи л ьной по лосы на мерную длину
Гибка профильной полосы в кольцо Сварка Отжиг совмещенный с нагревом под калибровку
КЗ
Контроль и калибровка КЗ растяжением
Удаление трата после _сварки
Механическая обработка
Рис. 2. Схема технологического процесса (а) и последовательность изготовления (б) высокоточных кольцевых
заготовок:
1 - исходная заготовка (полоса); 2 - профильная полоса;
3 - кольцевая заготовка, согнутая на планетарно-гибочной машине;
4 - сваренная кольцевая заготовка; 5 - кольцевая заготовка
Нагрев исходной полосы перед прокаткой производится в электрической проходной печи до температуры горячей деформации для соответствующего материала.
После нагрева листовая полоса сразу прокаты-
Рис. 3. Схема прокатки профильной полосы на непрерывном трехпарном стане 280
вается на трехпарном непрерывном стане 280 за один проход (рис. 3, 4). Прокатка профильной полосы с одного нагрева из листовой полосы, имеющей тонкие сечения и, следовательно, малый запас тепловой энергии, стала возможной благодаря конструкции стана 280 (табл. 2), где деформирующие валки расположены на максимально близком расстоянии друг от друга [1].
Ввиду некоторой дефицитности приобретения листа при малой серийности производства целесообразно профильные полосы получать из прутка с предварительной его прокаткой в полосу (рис. 5). При этом диаметр исходного прутка (при условии 2г = Ьпол) определяем по выражению:
а о =
4й(Ь - 0,12й)Х
где х - коэффициент, равный 1,10...1,15.
а
б
К
Рис. 4. Характерные калибровки валков для прокатки профильных полос на стане 280
Таблица 2 - Техническая характеристика стана 280
Наименование параметров Един. измер. Значения
Количество пар валиков шт. 3
Давление на валки, максимальное тс
первой и второй пар 80
третьей пары 40
Диаметры валиков мм
первой и второй пар 282
третьей пары 180
Число оборотов валков, максимальное об/мин
первой и второй пар 57,14
третьей пары 58,82
Регулирование оборотов валков - бесступенчатое
Нажимное устройство валков - клиновое
Уравновешивание валков - пружинное
Привод валков - индивидуальный
через редуктор
Передаточное отношение редукторов ед.
первой и второй пар валков 17,5
третьей пары валков 17
Масса т 12,5
FVnl = F2Vn2 = F3Vn3 ,
где Р - сечение полосы после выхода из валков, У„ - скорость выхода полосы из валков.
При этом скорость выхода полосы из валков с учетом опережения равна:
У„1 - V ■ Кх; у„2 - ^2 • к2, У„3 - Уз ■ кз, (6)
Так как величины опережения в клетях (парах валков) близки между собой, то приняв К = К2 = К3, выражение (6) можно записать:
Рис. 5. Схема прокатки прутка на полосу
Оси валков (рис. 6, б) расположены в следующем порядке: первая (3) и третья (5) пары валков -горизонтальные, вторая (4) пара - вертикальная. Расстояние между осями соседних пар валков составляет 460 мм, что уменьшает время начала и конца прокатки и не позволяет потерять температуру прокатываемой полосы. Такое расположение валков (горизонтальное - вертикальное - горизонтальное) является весьма благоприятным фактором для прокатки круглых и шестигранных профилей, так как отпадает необходимость кантовки (поворота) профиля перед его задачей в следующий калибр.
Перед прокаткой каждая пара валков настраивается по зазору между буртами валков или по прокатанному профилю. В процессе прокатки возможна отдельная регулировка каждой пары валков. Для этого клиновые подушки 6,7 и 8 перемещаются полыми винтами 9 и 10 и клином 12 до получения требуемого размера профиля (зазора между валками) с учетом упругой деформации клети 1 и клети 2 стана. Регулировка является очень точной, т. к. полный оборот винтов 10 уменьшает (увеличивает) зазор между валками на 0,3 мм, а гаек клина 12 и винта 13 на 0,025 и 0,1 мм соответственно. При этом подушки 6, 7 и 8 трех пар валков должны контактировать своими плоскостями друг с другом и клином 12, так как появление зазоров влияет на точность настройки и нормальную работу проводок 11.
В связи с тем, что прокатка профильной полосы происходит непрерывно в трех валках одновременно, а скорости выхода полосы из валков ввиду наличия опережения изменяются и не совпадают с оборотами самих валков, то необходимо согласовать скорости полосы и валков.
Основным правилом непрерывной прокатки является равенство секундных объемов металла, проходящего через все пары валков [3]:
FV = F2V2 = F3V , Если окружная скорость валков равна:
пДк n
V = -
60
(7)
(8)
где Дк - катающий радиус валков [4],
n - число оборотов валков, то равенство (5) секундных объемов металла, проходящего через валки, можно выразить как
F1 Дк1п1 = F2Дк 2n2 = F3 Дк3 n3 = const ■ (9)
Определение числа оборотов валков, начинаем с последней третьей пары валков (клети), уменьшая обороты последующих пар валков с учетом того, что прокатку проводим с натяжением полосы между валками, для чего const в выражении (9) принимаем равной 0,99......0,93, то есть уменьшаем секундный объем металла на 1......3 %■
Тогда с учетом выражения (9) число оборотов для второй и первой пар валков составит:
n2 =
F3 Дк3п3
KF2 Дк2
n1 =
F3 Дк3п3 KF^k1
(10)
где К - коэффициент, учитывающий натяжение полосы между валками К = (0,99...0,97).
В соответствии с этим, число оборотов двигателей каждой пары валков будет равно:
Uдв. = n ■ i,
(11)
где I - передаточное число редукторов каждой клети.
Профильные полосы (рис. 7) имеют точность ± 0,15 мм, которая обуславливается соблюдением строгого температурного режима деформации, минимальным расстоянием между парами валков, наличием жесткой клети 1 и 2 (см. рис. 6, б) стана и регулировочно-нажимных клиновых устройств.
После обрезки профильной полосы на мерные длины по выражению (3) на планетарно-гибочной машине (рис. 8) производится гибка ее в кольцо.
- 12Ц-
Рис. 6. Общий вид (а) и схема (б) непрерывного трехпарного стана 280 1- основная клеть; 2 - приставная клеть; 3, 4, 5 - 1, 2 и 3 пары валков соответственно; 6, 7 и 8 - подушки; 9, 10 - винт нажимной (регулировочный); 11 - проводки (вводная, 1-2 пар валков, 2-3 пар валков, выводная); 12 - регулировочный
клин; 13 - винт
Рис. 7. Типовые сечения профильных полос для кольцевых заготовок
Конструкция планетарно-гибочной машины [2] отличается от известных машин наличием раздвижного ротора 1 и подвижных полуобойм 2, что обеспечивает получение строго круглого кольца (без прямых участков) и позволяет производить съем любого сложного сечения профиля К3 с ротора после гибки (табл. 3).
Гибка профилей различной конфигурации (уголок, швеллер, тавр, корытный профиль и др.) производится после нагрева в электрической проходной печи между приводным ротором 1 с раздвижными секторами и неприводными роликами 4, установленными в подвижные полуобоймы 3.
Профильная полоса
Рис. 8. Общий вид (а) и схема (б) планетарно-гибочной машины 1 - ротор; 2 - клеть; 3 - полуобоймы; 4 - ролики
а
б
Таблица 3 - Техническая характеристика планетарно-гибочной машины
Наименование параметра Единица измерения Параметры
Поперечное сечение сгибаемых колец мм 600
Диаметр колец - минимальный - максимальный мм 300 1000
Крутящий момент на шпинделе кгм 450
Усилие гидроцилиндра ротора - тянущее - толкающее тс 10 12
Усилие сжатия подушек полуобойм - номинальное - максимальное кгс 620 930
Число оборотов двигателя ротора об/мин 1000
Масса т 8
Профильная полоса подается в очаг деформации ровной без подгибки концов, а согнутое кольцо выходит круглым и имеет минимальный зазор в месте стыка. Для каждого вида кольца изготавливается специальная наладка: раздвижные сегменты, сидящие на роторе 1, полуобоймы 3 и проводка, служащая для правильной подачи профильной полосы в зону гибки.
Согнутое таким образом кольцо сваривается стыковой сваркой на машине К-617М. После зачистки грата производится горячая калибровка сваренных КЗ на секторной установке ПКД с растяжением 1......2 %. При этом нагрев под калибровку
совмещается с операцией отжига. Растяжением достигается не только высокая точность КЗ (табл. 4, рис. 9), но контроль качества стыковой сварки.
Технологический процесс получения К3 позволяет сэкономить не только дорогостоящий материал, но и снизить трудоемкость дальнейшей механической обработки.
Эффективность разработанной технологии изго-
Таблица 4 - Техническая характеристика кольцевых заготовок
Наименование параметра Единица измерения Значения
Диаметр колец мм 300 - 1000
Допуск на размер сечения мм ± 0,15
Овальность в свободном состоянии мм 0,6...0,8
Неплоскостность мм 0,4...0,6
Припуск на сторону мм 0,5.1,0
Коэффициент использования металла 0,3.0,5
Материал титановые и жаропрочные сплавы, нержавеющие стали
товления кольцевых заготовок из профильного проката по сравнению с технологией по методу специализированного металлургического завода (г. Ку-лебаки)представлена в табл.5.
Рис. 9. Кольцевые заготовки, изготовленные прокаткой, гибкой и сваркой
Таблица 5 - Сравнительная характеристика технологий изготовления кольцевых заготовок из профильного проката
Продолжение табл. 5
Перспективы дальнейших исследований
Разработанное оборудование (стан 280) позволяет получать не только КЗ из профильного проката, но является также базой для разработки процессов прокатки сортовых (круг, шестигранник) и периодических (арматурный) профилей, позволяющие производить передел кругов большего диаметра в меньший и получать шестигранник, не имеющий механической обработки по граням для всех без исключения материалов.
Целесообразно также продолжить исследования по получению КЗ из прутковых заготовок вместо листовых.
Выводы
Разработка и реализация комплексного технологического процесса и оборудования позволила получить высокоточные и высокоэффективные КЗ из различных, в том числе и труднодеформируе-
мых материалов.
Перечень ссылок
1. Молотков Л .Ф., Кресанов Ю.С. и др. Валковая рабочая клеть, А.С. СССР №52475 "Бюллетень информации" №6, 1978. - 43 с.
2. Молотков Л .Ф., Молотков Ю.Л., Кресанов Ю.С. и др. Гибочная машина, А.С. СССР №664717, "Бюллетень информации", №20, 1979. - 62 с.
3. Диомидов Б.Б., Литовченко Н.В. Калибровка прокатных валков. - М.: Металлургия, 1970. -С. 34-38.
4. Кресанов Ю.С., Богуслаев А.В., Качан А.Я. Аналитическое определение катающего радиуса при прокатке в калибрах с заусенцем // Вестник двигателестроения. - 2006. - №4. - С. 80-82.
Поступила в редакцию 11.04.2007
Представлено прогресивний технолог1чний процес i встаткування для виготовлення високо точних профiльних кльцевих заготовок (КЗ) з низькою трудомiсткiстю й мета-лоемн'ютю.
Described is an effective production process and machinery for manufacturing highly precission profile ring piece works with low labour and metal consumption.
