способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, включающий изготовление заготовки с выпуклой поверхностью спинки в поперечном сечении заготовки, вальцовку, вырубку контура и финишную обработку, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества готового изделия за счет обеспечения стабильности его механических свойств, выпуклую поверхность заготовки в продольном направлении выполняют в виде по меньшей мере двух цилиндрических или конических поверхностей, линии сопряжения которых являются общей образующей этих поверхностей, расположенной в пределах поля допуска по толщине заготовки, а противоположную поверхность заготовки в поперечном ее сечении выполняют вогнутой с радиусом окружности, описывающей прикомлевое сечение заготовки, причем в продольном направлении вогнутую поверхность выполняют в виде цилиндрических или конических поверхностей, линии сопряжения которых также являются общей образующей этих поверхностей, расположенной в пределах поля допуска по толщине заготовки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для лопаток с постоянным профилем по длине заготовки выпуклую и вогнутую поверхности в продольном направлении выполняют в виде цилиндрических поверхностей.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для лопаток с переменным профилем по длине заготовки выпуклую и вогнутую поверхности в продольном направлении выполняют в виде конических поверхностей.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для лопаток с переменным профилем по длине заготовки выпуклую поверхность в продольном направлении выполняют в виде цилиндрических поверхностей, а вогнутую поверхность заготовки выполняют в виде конической поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при получении компрессорных лопаток и лопаток направляющих аппаратов газотурбинных двигателей.

Известен способ изготовления изделий типа турбинных лопаток, включающий холодное выдавливание заготовки, горячее вальцевание выдавленного полуфабриката без закрутки пера с получением поперечных сечений пера заготовки двояковыпуклой формы с последующим холодным вальцеванием пера и одновременной закруткой его профиля.

Этот способ имеет ряд недостатков:

низкий ресурс работы лопаток, обусловленный неравномерностью степеней деформации из-за неравномерного припуска под вальцевание;

высокая трудоемкость изготовления за счет наличия операций для удаления дефектного слоя, появившегося в результате горячего вальцевания.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей [1] , по которому заготовку под вальцевание получают с односторонней выпуклой поверхностью в продольном направлении, а в поперечном сечении - в виде сегмента, причем для лопаток с постоянным профилем пера по длине одностороннюю выпуклую поверхность выполняют в виде цилиндрической поверхности, а для лопаток с переменным профилем пера по длине - в виде конической поверхности.

Этот способ имеет следующие недостатки:

недостаточный ресурс работы лопаток из-за значительного разброса степеней деформации по поперечным сечениям пера, что приводит к неравномерной проработке материала вальцуемой заготовки;

высокая трудоемкость изготовления лопаток с замком из-за наличия операций по доработке прикомлевого сечения;

невозможность изготовления лопаток из материалов с пониженной пластичностью, обусловленные наличием при вальцовке деформаций изгиба, наряду с деформациями сжатия, что способствует ускоренному исчерпанию запаса пластичности материала заготовки.

Целью изобретения является улучшение качества готового изделия.

Это достигается тем, что выпуклую поверхность заготовки в продольном направлении выполняют в виде, как минимум, двух цилиндрических или конических поверхностей, линии пересечения которых проходят через поле допуска на изготовление профиля заготовки, а противоположную поверхность заготовки лопатки - вогнутой с радиусом окружности, описывающей прикомлевое сечение заготовки. При получении лопаток с постоянным сечением выпуклую и вогнутую поверхности заготовки в продольном направлении выполняют в виде цилиндрических поверхностей. При получении заготовок с переменным профилем выпуклую и вогнутую поверхности заготовки в продольном направлении выполняют в виде конических поверхностей или выпуклую поверхность заготовки в продольном направлении выполняют в виде конических поверхностей, а вогнутую поверхность заготовки - в виде цилиндрической поверхности, или выпуклую поверхность заготовки в продольном направлении выполняют в виде цилиндрических поверхностей, а вогнутую поверхность заготовки - в виде конической поверхности.

На фиг. 1 дано продольное сечение пера заготовки лопатки; на фиг. 2 - поперечное сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1, схема определения радиуса цилиндрической поверхности, описывающей вогнутую поверхность заготовки в районе прикомлевого сечения; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - схема аппроксимирования выпуклой поверхности концевого поперечного сечения заготовки лопатки двумя дугами окружностей; на фиг. 6 - расчетная схема устройства (конической оправки) для обработки выпуклой поверхности заготовки в продольной направлении по конической поверхности; на фиг. 7 - вариант устройства и схема обработки вогнутой поверхности заготовки лопатки по цилиндрической поверхности; на фиг. 8 - вариант устройства (конической оправки) и схема обработки выпуклой поверхности заготовки лопатки по конической поверхности; на фиг. 9 - сечение Г-Г на фиг. 8; на фиг. 10 - метод аппроксимирования для различных поверхностей лопаток.

Способ изготовления лопаток осуществляется следующим образом.

Расчетный профиль лопатки 1 увеличивают на величину технологического припуска 2. Приняв прикомлевое сечение готовой лопатки за базовое, определяют угол закрутки концевого сечения А_к лопатки относительно базового сечения. После этого графическим или аналитическим путем поворачивают концевое сечение А_к вокруг продольной оси лопатки на угол его закрутки относительно базового сечения, проводя раскрутку профиля пера лопатки. При этом определяют новые значения координат профиля лопатки (Х_с, Y_c, X_к, Y_к) в заданной системе координат.

При аналитическом определении координат профиля "раскрученной" лопатки с целью контроля выполняют графическое построение профиля концевого сечения А_к и сравнивают его положение относительно базового сечения.

В увеличенном масштабе вычерчивают профиль прикомлевого сечения 3 заготовки лопатки и на контуре корыта выбирают три характерные точки Д, Е, Ж, руководствуясь, например, тем, что крайние точки Д и Ж должны иметь максимальные по абсолютной величине ординаты в своих четвертях координатной плоскости ХОY, а промежуточная точка Д - минимальную ординату по абсолютной величине. Затем через выбранные точки проводят окружность, имеющую радиус R_к и центр О₁(Х₁; Y₁).

В общем случае выполненная окружность не проходит через все точки контура корыта сечения Б-Б, имеющего аэродинамический профиль. На следующем этапе выполняют укладку выпадающих точек корыта профиля 4 (фиг. 3) прикомлевого сечения Б-Б на окружность с радиусом R_к, например путем сдвига в направлении оси Y элементарных, бесконечно малых сечений Х, образованных системой параллельных плоскостей, проведенных параллельно оси ординат и перпендикулярных плоскости чертежа.

Профилирование сечений может быть выполнено аналитическим или графическим методом. С целью контроля операции аналитического определения профиля корыта построенного сечения лопатки выполняют сравнение площадей соответствующих сечений исходной и построенной таким образом лопатки. При этом необходимо, чтобы все окружности, образующие корыто, которым принадлежат точки корыта любого i-го сечения, принадлежали бы одной цилиндрической или конической поверхности.

Затем для каждого i-го сечения назначают припуск под вальцевание, обеспечивающий равномерную степень деформации как минимум по входной, выходной кромкам (М_о, N_c, верхняя граница припуска под вальцевание по спинке сечения лопатки). При этом величину припуска выбирают исходя из свойств деформируемого металла с учетом влияния используемого ресурса пластичности на усталостную прочность металла лопатки.

После этого осуществляют профилирование спинки как минимум двумя коническими или цилиндрическими поверхностями, чем достигается более точное профилирование. Увеличение числа профилирующих поверхностей ведет к более равномерному распределению припуска. Линия пересечения поверхностей должна лежать в пределах поля допуска.

При этом определяют положения центров радиусов О₂, О₃. . . О_п(Х_п, Y_п) и величины их радиусов графическим или аналитическим методом.

На выпуклой поверхности сечения заготовки, а именно в концевых зонах сечения на входной и выходной кромках, выбирают две опорные точки М_о и N_o (фиг. 4), являющиеся, например, точками сопряжения радиусов входной и выходной кромок с выпуклой поверхностью профиля заготовки. Далее на срединной зоне выпуклого контура заготовки выбирают дополнительные точки М₁, М₂ и N₁, N₂. Затем через точки М_о, М₁, М₂ проводят окружность радиусом R_c2 и центром в точке О₃(Х₃; Y₃). Аналогично через точки N_o, N₁, N₂ проводят окружность радиусом R_c1 и центром О₂(Х₂; Y₂).

Таким образом, путем аппроксимирования каждого i-го сечения лопатки со стороны спинки и корыта дугами окружностей удается обеспечить равномерную степень деформации заготовки лопатки в каждом i-том сечении при ее вальцевании.

Реализация способа изготовления лопаток осуществляется с помощью устройства для профилирования поверхностей заготовки под вальцевание.

Для этого в увеличенном масштабе вычерчивают продольное сечение заготовки лопатки, образованное плоскостью, проходящей через центры окружностей, образующих профиль корыта и перпендикулярно к хорде, соединяющей крайние точки профиля корыта. Выбирают на образующей спинки или корыта или же на продольной оси лопатки z точки, например А₁ и А_к (см. фиг. 6), лежащие на базовом сечении и наиболее удаленные от базового сечения - на конце пера лопатки. Выбор поверхности осуществляют исходя из того, что она должна быть цилиндрической. В случае отсутствия таковой, например, если перо лопатки образовано двумя коническими поверхностями, точки А₁ и А_к должны лежать на продольной оси лопатки.

Через выбранные точки проводят прямые, перпендикулярные образующей, на которых в сторону корыта откладывают величины радиусов окружности R_A1 и R_Aк, аппроксимирующих дугами окружностей, криволинейный профиль заготовки в данных сечениях лопатки. Соединяют прямой 1-К центры радиусов R_A1 и R_Aк. Зная разницу между радиусами и расстояние между их центрами определяют угол наклона образующей конической поверхности, по которой необходимо обработать эту поверхность для обеспечения равенства степеней деформации пера заготовки при вальцевании. При этом прямая 1-К будет являться осью устройства, выполненного в виде конической поверхности.

На фиг. 7 показан вариант устройства для обработки вогнутой поверхности пера заготовки лопатки 6 лезвийным инструментом, например, шлифовальным кругом 7 по цилиндрической поверхности. Для обработки заготовок, имеющих постоянный профиль по длине пера, оправка 8 имеет вид правильной призмы. При этом оформление криволинейных поверхностей заготовки осуществляется в виде цилиндрических поверхностей.

При проектировании заготовки под вальцовку замковой лопатки компрессора газотурбинного двигателя, имеющую переменный профиль по длине пера (материал: сталь ЭИ-962; длина пера 30 мм; величина хорды 22 мм; максимальная толщина прикомлевого сечения 1,862 мм; максимальная толщина сечения на конце пера 0,869 мм; толщина входных и выходных кромок на расстоянии двух миллиметров от кромки пера - 0,46 и 0,34 мм соответственно) определена форма пера заготовки, обеспечивающая оптимальный диапазон степеней деформации ее материала, в виде:

вогнутая поверхность заготовки должна представлять собой цилиндрическую поверхность, имеющую радиус, равный 92,28 мм;

выпуклая поверхность заготовки должна быть оформлена двумя пересекающимися коническими поверхностями, имеющими в прикомлевом сечении заготовки величину радиусов R₁= 27,02 и R₂= 34,81 мм и в сечении на конце пера: R₁"= 38,053 и R₂"= 55,74 мм соответственно.

При этом технологический процесс изготовления лопатки выглядит следующим образом.

В качестве заготовки используют прямоугольную пластину, вырубленную из листа толщиной 2,2 мм. Размеры заготовки в плане: ширина 22,6; длина 46 мм. Вырубленную заготовку помещают в штамп и в холодном состоянии путем наложения усилия на торец заготовки, имеющей размер 22,6 мм, осуществляют высадку замка с припуском под обработку резанием 0,2. . . 0,3 мм и соответствующей ориентацией в угловом положении относительно пера лопатки. При высадке замка на заготовках из малопластичных материалов операцию высадки замка целесообразно выполнить с нагревом зоны деформации. Затем, на противоположной замку стороне заготовки, выполняют два отверстия диаметром 4^+0,013 мм (сверлением и развертыванием), используемые в качестве базовых при последующей обработке.

Далее приступают к обработке вогнутой поверхности заготовки. Для этого заготовки поступают на операцию шлифования, выполняемую на универсальном круглошлифовальном станке. При этом, используя в качестве технологических баз два высокоточных отверстия и плоские поверхности заготовки устанавливают в специальное приспособление, аналогичное показанному на фиг. 7, имеющее внутреннюю полость, выполненную в виде многогранника. Установив несколько заготовок, в данном случае 12 шт. , осуществляют шлифование вогнутой поверхности заготовок по цилиндрической поверхности, имеющей расчетный радиус R= 92,28 мм, соответствующий вогнутому радиусу прикомлевого сечения заготовки (режимы шлифования: подача 0,025 мм/об; скорость резания 35 м/с). Обработав вогнутую поверхность пера заготовок, приступают к формированию шлифованием противоположной выпуклой поверхности заготовок. Для этого используют круглошлифовальный станок с установленным в его патроне приспособлением (см. фиг. 8 и 9). Используя в качестве технологических баз обработанные вогнутые поверхности и отверстия, заготовку 6 фиксируют в приспособлении на барабане 9 и подвергают обработке шлифованием, формируя выпуклую коническую поверхность, имеющую расчетные радиусы, равные 27,02 мм в прикомлевом сечении и 38,053 мм - в сечении на конце пера. При этом осуществляется лишь частичная обработка плоской поверхности заготовки.

Затем заготовки поступают на следующую операцию шлифования на аналогичном предыдущей операции оборудовании и приспособлении. При этом приспособление, используя указанные выше технологические базы заготовок, ориентирует последние относительно оси вращения шпинделя станка таким образом, чтобы выполнить обработку по конической поверхности, оставшуюся необработанной выпуклую поверхность пера заготовки. В данном случае формируется коническая поверхность, имеющая в прикомлевом сечении радиус, равный 34,81 мм и радиус концевого сечения, равный 55,74 мм. Таким образом, выпуклая поверхность пера заготовки формируется двумя пересекающимися коническими поверхностями.

Затем, используя в качестве технологических баз отверстия и шлифованный профиль заготовок, выполняют обработку замка заготовок например, протягиванием или глубинным шлифованием.

После этого заготовки устанавливают в штамп и отсекают нешлифованный концевой участок длиной 8 мм с выполненными на нем технологическими отверстиями.

Подготовленные заготовки имеют высокую стабильность геометрической формы, обеспечиваемую использованием при их обработке высокоточного оборудования и оснастки. После обсечки технологической прибыли заготовки поступают на операцию вальцевания профиля пера. Данная операция выполняется на стане ВС-100 в профильных вставках, выполненных из стали Х12М и имеющих твердость НRC_э= 59. . . 61. Вальцевание аэродинамического профиля пера лопатки осуществляется за один переход с обеспечением относительной степени деформации сечений пера в диапазоне 10. . . 35% , гарантирующей достаточно надежные служебные свойства лопаток.

Затем осуществляют вырубку контура лопатки в штампе, термообработку и виброполирование пера.