Definition of optimum parameters of workpieces and superplastic forming and isothermal stamping operations for the manufacturing of thin-walled details of gas-turbine engines

Full Text

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-01-03073_А) Введение Полые и тонкостенные детали широко применяются в современных турбомашинах, позволяя уменьшить массу конструкции [1]. Однако такие детали имеют низкие показатели технологичности из-за сложной формы поверхностей, наличия внутренних полостей и ис- пользования материалов, плохо поддающиеся механической обработке. Технологические процессы изготовления тонкостенных и полых деталей включают в себя операции диффузионной сварки и сверхпластической формовки, которые имеют ряд ограничений: износ матриц штампов, разнотолщинность стенок изделия после формообра- зующих операций, сложность проектирования заготовок. С конструкторско-технологической точки зрения наибольшее значение имеют дефекты, выражающиеся в виде разнотолщинно- сти стенок детали и отклонения расположения ее конструктивных элементов, возникающие при сверхпластической формовке. Поэтому актуальными являются вопросы проектирования оптимальных заготовок и определения технологических параметров операции сверхпласти- ческой формовки. Для снижения разнотолщинности применяют формовку в неравномерном температур- ном поле, реверсивную формовку, формовку с ограниченной вытяжкой, а также проводят предварительную подготовку заготовки [2]. При формовке в неравномерном температурном поле на участки заготовки, в которых должна быть уменьшена вытяжка, наносят специальное испаряющееся покрытие, которое охлаждает эти области. Для деформации «холодных» областей требуются бóльшие напряже- ния течения, а, следовательно, вытяжка в этих областях уменьшается по сравнению с осталь- ными участками заготовки. Реверсивная формовка проводится в два этапа и применяется для предотвращения уто- нения в куполообразных деталях. На первом этапе инертный газ под давлением подается в одну полость формы, вызывая ее деформацию. При этом часть заготовки, в которой при обычной формовке наблюдается наибольшая вытяжка, контактирует с вкладышем. За счет сил трения вытяжка в месте контакта уменьшается, а формообразование происходит за счет вытяжки участков заготовки, не контактирующих с вкладышем. На втором этапе давление из первой части формы снимается, а газ подается в противоположную часть формы. В результа- те деформированный материал заготовки вытягивается в обратную сторону, что ведет к бо- лее равномерному формообразованию. При формовке с ограниченной вытяжкой используют переменную силу зажима заготовки. Вытягивание металла из-под определенных областей прижима при формовке приводит к уменьшению вытяжки в остальных частях заготовки. Получить требуемую толщину стенок можно также путем предварительного добавле- ния материала в зоны с чрезмерным утонением. Формообразование проводят обычным спо- собом, а объем металла, который нужно добавить для получения равномерной толщины, определяется по результатам предварительного деформирования. Технологический процесс изготовления тонкостенных и полых деталей, использующий операции сверхпластического формообразования В зависимости от формы поверхности деталей, наличия полостей и внутреннего сило- вого набора технологический процесс может состоять из различного набора технологических операций (см. рисунок 1). Так, например, технологический процесс изготовления элементов корпуса авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) включает в себя только операцию сверхпластического формообразования (СПФ). Технологический процесс изготовления стойки корпуса компрессора включает операции диффузионной сварки и СПФ. А при изго- товлении полой лопатки, технологический процесс включает в себя еще и операцию изотер- мической штамповки, необходимую для придания нужного угла закрутки перу лопатки пе- ред СПФ. Рисунок 1. Схема применения операций диффузионной сварки, изотермической штамповки и сверхпластической формовки для различных деталей ГТД: 1 - детали оболочечного типа; 2 - детали с внутренним силовым набором; 3 - детали сложной формы с внутренним силовым набором При разработке технологических процессов необходимо решить ряд задач: выбор штампового оборудования, проектирование заготовок и матриц штампов, определение пара- метров технологических операций. Выбор оборудования осуществляется с точки зрения обеспечения необходимых рабо- чих усилий, скорости движения штампов и условий эксплуатации. Формы поверхностей матриц штампов на окончательных операциях повторяют формы поверхностей детали с уче- том припусков на обработку и доводочные операции. Однако их конструкция влияет на ме- ханику процесса деформирования. Проектирование заготовки нужно осуществить таким образом, чтобы после формооб- разующих и доводочных операций получилась деталь, максимально соответствующая задан- ным конструкторским требованиям. При этом, из-за сложности течения металла, необходимо использование специальных подходов к процессу проектирования заготовок, которые осно- ваны на численном моделировании операций изотермической штамповки и сверхпластиче- ской формовки. Математическое моделирование операций изотермической штамповки и сверхпластической формовки Применение методов математического моделирования позволяет определить парамет- ры операций изотермической штамповки и сверхпластического формообразования в рамках единого технологического процесса, а также решить задачу проектирования заготовок полых и тонкостенных деталей и штамповой оснастки. При описании сверхпластического поведения материала применена следующая зави- симость: o Kεnεm , (1) где: - напряжение течения; - деформация; K - постоянная материала; m - параметр ско- ростной чувствительности материала; n - параметр деформационного упрочнения. Параметр m обычно находится в диапазоне от 0,4 до 0,9, а эффект сверхпластично- сти наблюдается при скоростях деформации порядка 10-4 10-3 с-1. opt При моделировании параметр скоростной чувствительности m задавался постоянным и соответствовал оптимальной скорости деформации, при которой эффект сверхпластичности наиболее выражен. Для расчетов были приняты следующие параметры титанового сплава ВТ6: m 0,47; n 0; K 645; оптимальная скорость деформации ε 2 10 4 с 1 [3]. При моделировании изотермической штамповки применена зависимость напряжений течения от деформации и скорости деформации при заданной температуре T: σ σ(T , ε, ε) . (2) Таким образом, математическая модель операций изотермической штамповки и сверх- пластической формовки состоит из: модели материала (1), описывающей напряженно-деформированное состояние детали во время формовки (процесс СПФ рассматривается как изотермический); модели материала (2), описывающей напряженно-деформированное состояние во время изотермической штамповки; модели контактного взаимодействия с учетом трения, возникающего между заготовкой и штамповой оснасткой, которая рассматривается в виде набора абсолютно твердых тел; граничных условий, задаваемых таким образом, чтобы исключить перемещения загото- вок, как жесткого целого, и отвечающих первоначальному позиционированию заготовок в штамповой оснастке; геометрических моделей заготовок. Уменьшение разнотолщинности при изготовлении кольца воздухозаборника Одним из дефектов, возникающих при применении операций сверхпластического фор- мообразования, является разнотолщинность стенок деталей. На рисунке 2 показано распре- деление толщин модели кольца воздухозаборника, изготовленного методом СПФ с примене- нием ограниченной вытяжки. Заготовка имеет постоянную толщину, равную 6,5 мм. Как видно из рисунка 2, готовая деталь будет иметь резкое утонение (до 3 мм) на внутреннем диаметре. Увеличение толщины заготовки приводит к большей выраженности этого дефекта. На рисунке 3 показаны графики изменения толщины стенки кольца воздухозаборника, изго- товленного методом СПФ с применением ограниченной вытяжки, при исходной толщине заготовки 6,5 мм и 8,5 мм. Рисунок 2. Распределение толщины (мм) стенки кольца воздухозаборника при по- стоянной толщине заготовки 6,5 мм Рисунок 3. Распределение толщины стен- ки кольца воздухозаборника по радиусу при толщине заготовки: 1 - 6,5 мм; 2 - 8,5 мм Видно, что метод ограниченной вытяжки дает достаточно равномерное распределение толщины на большей части полуфабриката, однако из-за особенности формы детали возни- кает чрезмерный перепад толщин в локальной области. Для уменьшения этого дефекта при- менена комбинация ограниченной вытяжки и предварительной подготовки заготовки. Для определения неравномерного распределения толщины исходной заготовки использован ме- тод оптимального проектирования. Различные схемы параметризации модели заготовки по- казаны на рисунке 4,а-в. Распределения толщины стенки кольца воздухозаборника по радиу- су для исходной заготовки (с постоянной толщиной) и для заготовок оптимальной формы показаны на рисунке 4,г. Рисунок 4. Схемы параметризации (а-в) и распределение толщины стенки кольца воздухозаборника по радиусу (г): а - два параметра; б - три параметра; в - три параметра с уточнением; 1 - постоянная толщина заготовки 6,5 мм; 2 - оптимизация толщины заготовки по двум параметрам; 3 - оптимизация толщины заготовки по трем параметрам (базовый вариант); 4 - оптимизация толщины заготовки по трем параметрам (итоговый вариант) Как видно из рисунка 4,г, при увеличении количества параметров разнотолщинность стенки кольца воздухозаборника уменьшается. При применении схемы параметризации с тремя параметрами, которая показана на рисунке 4,б, выявлено, что параметр P3 в процессе оптимизации изменяется в пределах 0,1 мм. Поэтому была предложена новая трехпарамет- рическая схема, показанная на рисунке 4,в, а значение P3 было задано постоянным и равным 6,5 мм. Это позволило получить более точное решение задачи оптимизации заготовки (см. графики на рисунке 4,г). При решении задачи поиска применен алгоритм оптимизации SQP, позволяющий по- лучить оптимальное решение при меньшем количестве итераций. Целевой функцией явля- лось среднеквадратичное отклонение толщины стенки полуфабриката после сверхпластиче- ского формообразования от заданной толщины (6 мм). Контролируемые параметры приведе- ны на рисунке 5. Рисунок 5. Схема расположения контролируемых параметров толщины стенки кольца воздухозаборника Рисунок 6. Изменение значения целевой функции при оптимизации заготовки кольца воздухозаборника по трем уточненным параметрам График изменения значения целевой функции при оптимизации заготовки кольца воз- духозаборника по трем уточненным параметрам приведен на рисунке 6. Распределение тол- щины стенки кольца воздухозаборника показано на рисунке 7, законы подачи давления - на рисунке 8. Рисунок 7. Распределение толщины (мм) стенки кольца воздухозаборника при оптимизации заготовки по трем уточненным параметрам При сверхпластической формовке для поддержания состояния металла, при котором сверхпластичность наиболее выражена, необходимо соблюдать постоянную скорость дефор- мации, зависящую от материала заготовки. Для титанового сплава ВТ-6 ~ 0, 0002 . Поддержание постоянной скорости деформации осуществляют за счет изменения величины давле- ния инертного газа, подаваемого в рабочую зону матриц штампов или во внутренние поло- сти пакета. На скорость деформации также влияет толщина стенок заготовки и их контакт с поверхностями матриц штампов. На рисунке 8 представлены графики законов подачи давления инертного газа при фор- мовке разных заготовок. Как видно из представленных данных, формовка заготовки, оптими- зированной по трем уточненным параметрам, занимает больше времени, однако величина давления меньше, чем при формовке заготовки постоянной толщины 8,5 мм. Это обусловле- но более равномерным распределением деформаций по радиусу заготовки. Рисунок 8. Законы приложения давления при сверхпластической формовке для разных вариантов заготовок Проектирование заготовки для полой лопатки вентилятора При разработке технологического процесса изготовления полой лопатки вентилятора необходимо решить несколько задач: проектирование заготовки, проектирование штамповой оснастки, назначение режимов работы оборудования. Решение этих задач представляет со- бой решение обратной задачи проектирования. Задачи следует рассматривать в комплексе, так как они оказывают влияние друг на друга. Алгоритм решения обратной задачи можно представить в виде схемы, показанной на рисунке 9. Основным критерием решения обратной задачи считалось совпадение с заданной точностью формы внешних поверхностей и внут- реннего силового набора исходной (заданной конструкторскими чертежами) и изготовлен- ной деталей. Рисунок 9. Схема решения обратной задачи проектирования Технологический процесс изготовления полой лопатки вентилятора содержит следую- щие ключевые операции: диффузионная сварка листов, закрутка пера лопатки, раздача в условиях сверхпластичности. Перед диффузионной сваркой листы, образующие заготовку полой лопатки, предвари- тельно обрабатывают, придавая им необходимую толщину как в продольном, так и попереч- ном направлении. Поэтому одним из этапов создания технологического процесса изготовле- ния полой лопатки вентилятора является определение толщин листов исходной заготовки. Закрутку пера лопатки осуществляют с помощью операции изотермической штампов- ки. При этом необходимо спроектировать штамповую оснастку, которая позволит получить необходимую закрутку пера без уводов и смещений оси закрутки, без разрушения заготовки и переформовки. При раздаче в условиях сверхпластичности происходит формирование внутреннего си- лового набора и окончательное формообразование наружных поверхностей пера лопатки пе- ред доводочными операциями. Внешний вид внутреннего силового набора показан на рисун- ке 10. Рисунок 10. Сечение полой лопатки с внутренним силовым набором Определение толщин листов, контуров заготовки и создание моделей штамповой оснастки выполнено в трехмерной постановке, что позволило изучить механику процесса деформирования и наиболее точно подобрать заготовку, форму матриц штампа и параметры операций. Изотермическую штамповку проводят в два этапа: формообразование замка и гибка- закрутка пера лопатки. Такой подход позволяет проводить закрепление (базирование) полу- фабриката на последующих операциях формообразования. Гибку-закрутку пера проводят постепенно удаляясь от замка, что позволяет избежать «увода» заготовки. Расчетные схемы приведены на рисунке 11, где Dв и Dн - направления движения верхнего и нижнего штампов, соответственно. Рисунок 11. Расчетная схема моделирования операции изотермической штамповки: а - формовка замка; б - формовка пера На рисунке 12 показаны конструкция матриц штампов и контуры различных вариантов заготовок. Определение расположения зон сварки и защитного покрытия выполнено по сечениям в двухмерной постановке, что позволило снизить затраты машинного времени при сохранении достаточной точности. Расчетная схема приведена на рисунке 13 (ht и hb - величина хода верхнего и нижнего штампа, Dt и Db - направление движения верхнего и нижнего штампа, соответственно). а) б) Рисунок 12. Модель штамповой оснастки (а) и контуры вариантов заготовок (б) а) б) Рисунок 13. Расчетная схема моделирования операций изотермической штамповки (а) и сверхпластической формовки (б) для полой лопатки вентилятора в 2D постановке: 1 - верхняя матрица; 2 - заготовка; 3 - точка вращения; 4 - зоны сварки; 5 - нижняя матрица; 6 - верхняя матрица для СПФ; 7 - заделка; 8 - внутреннее давление Так как нижний лист заготовки контактирует с нижней матрицей штампа, положение зон сварки нижнего и среднего листов остается неизменным. Поэтому их с достаточной точ- ностью можно определить поворотом сечения модели вокруг точки, через которую проходит ось закрутки пера. Расположение зон сварки верхнего и среднего листов в первом приближении можно определить исходя из принципа сохранения объема при формообразовании. Для двухмерной задачи площади защищенных зон и зон сварки верхнего и среднего листа на заготовке и по- сле деформации будут равны. Параметризация модели приведена на рисунке 15. Большое количество параметров (18) не позволяет напрямую применить алгоритмы оптимизации, из- за больших затрат машинного времени. Поэтому было проведено параметрическое исследо- вание и определено расположение зон сварки и защитного покрытия, позволяющее получить требуемые параметры расположения внутреннего силового набора. Рисунок 14. Схема для определения расположения зон сварки нижнего и среднего листа заготовки полой лопатки вентилятора Рисунок 15. Схема параметризации на фрагменте сечения заготовки полой лопатки для нахождения зон сварки верхнего и среднего листов: P1, P2, P3…Pn - изменяемые параметры; l1, ln - неизменяемые параметры Целевой функцией являлось среднеквадратичное отклонение положений зон сварки среднего и верхнего листов от положения, полученного из геометрической модели полой ло- патки. Как видно из рисунка 16, расположение полученного внутреннего силового набора достаточно точно соответствует требуемому. Среднеквадратичное отклонение расположения зон сварки верхнего и среднего листов составило 0,43 мм. Рисунок 16. Сравнение сечений геометрической и расчетной моделей полой лопатки При переносе найденных геометрических размеров зон сварки листов (в двухмерных сечениях) на заготовку, следует учитывать возможное течение металла в продольном направлении (рисунок 17), которое будет оказывать влияние на реальное расположение си- лового набора в детали или полуфабрикате. Как видно из представленных графиков течение металла вдоль пера лопатки усиливается по мере удаления от замка. Схема нанесения точек сварки среднего листа полой лопатки показана на рисунке 18. Определенные в результате двухмерного численного моделирования точки начала и конца зон сварки по сечениям с учетом перемещений (рисунок 17), переносятся на модель заготовки полой лопатки, контуры и остальные параметры которой были определены в ходе моде- лирования операции изотермической штамповки. Рисунок 17. Перемещения узлов элементов по длине сечения после моделирования изотермической штамповки пера Рисунок 18. Схема нанесения внутреннего силового набора на модель заготовки полой лопатки Выводы Предложенная методика математического моделирования операций сверхпластической формовки позволяет проектировать заготовки для тонкостенных деталей оболочечного типа. Оптимизация формы заготовки позволила изготовить деталь с малым показателем разно- толщинности. Применение методов математического моделирования при решении обратной задачи проектирования заготовок для полых деталей с внутренним силовым набором позволило определить их параметры с требуемой точностью.

About the authors

J. M Temis

Central Institute of Aviation Motors; Bauman Moscow State Technical University

Email: tejoum@ciam.ru
Dr. Sc, Prof.

A. P Khudyakov

Central Institute of Aviation Motors

A. V Cherednichenko

Bauman Moscow State Technical University

PhD

References

Supplementary files