Министерство науки и
высшего образования

Россйской Федерации

Российская Академия Наук

Отделение энергетики, машиностроения
механики и процессов управления

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт машиноведения
им. А.А. Благонравова
Российской академии наук

  • русский
  • english
imash.ru » Научные отделы ИМАШ » Механика машин и управление машинами » Структура Отдела » Лаборатория управления технологическими процессами и системами » Основные научные результаты и достижения » Научные основы создания интеллектуальных производственных технологий изготовления осесимметричных деталей ГТД из жаропрочных сплавов и сталей в изотермических условиях

 2. Научные основы создания интеллектуальных производственных технологий изготовления осесимметричных деталей ГТД из жаропрочных сплавов и сталей в изотермических условиях

         Перспективным способом изготовления осесимметричных деталей ГТД типа диск или полый вал является изотермическая раскатка в состоянии сверхпластичности на специализированных раскатных станах, при проектировании которых необходимо определить энергосиловые параметры. Для определения этих параметров эффективным методом является математическое моделирование.
 
         Математическое моделирование процесса раскатки дисков

         Для определения напряженно-деформированного состояния и характера течения металла в процессе изотермической раскатки заготовки использовано математическое конечно-элементное моделирование на основе системы уравнений, заложенных в ряде программных пакетов, в том числе в SFTC DEFORM3D:
Решение этой системы уравнений в методе конечных элементов принято осуществлять с помощью функционала Маркова, представляющего собой разность мощности пластической деформации и мощности внешних сил, приложенных к объекту, принимающему минимальное значение на истинном поле скоростей:
 
 
Построение трехмерной конечно-элементной модели процесса раскатки включает в себя следующие этапы:
- создание геометрической модели процесса раскатки
Рис. 2.1. Геометрическая модель процесса изотермической раскатки.
 
- построение конечно-элементной модели заготовки и ее взаимодействие с инструментом – роликом;
Рис. 2.2. Исходная и раскатанная заготовки из сплава ВТ9.
 
Конечно-элементная модель заготовки представляет собой жесткое-пластичное тело с нелинейным упрочнением, объем которого разбит на определенное количество тетраидальных элементов. Инструмент—абсолютно твердое тело с постоянной температурой.
 
- построение реологической модели материала заготовки.
 
В таблице приведены исходные данные построенной модели.
 
Результаты математического моделирования позволили определить термомеханические и энергосиловые параметры при разработке технологии и оборудования, необходимые для раскатки осесимметричных деталей.
 
 Рис. 2.3. Изменения силы деформирования на формовочном ролике в процессе раскатки (результаты математического моделирования).  Рис. 2.4. Экспериментальные данные изменения силы деформирования при изотермической раскатке диска из сплава ВТ9.

 

а

 

б

   Рис. 2.5. Распределение скорости деформации в зоне контакта при перемещении ролика в радиальном направлении:
а – на 10 мм, б – на 95 мм.
 
         В результате моделирования получены графики зависимости сил деформирования на ролике-инструменте в процессе изотермической раскатки по ходу его перемещения от ступицы до периферии диска (т.е. отношение Ri/R0).

Для оценки адекватности построенной математической модели, приведены результаты экспериментальных данных, полученные при раскатке диска из сплава ВТ9 (Fo – сила в осевом направлении, Fр – сила в радиальном  направлении, Ri/Ro – соотношение текущего и начального радиуса раскатки.

 
а


б.

Рис. 2.6. Образцы дисков, раскатанных из титанового сплава ВТ9, и разрез диска с однородной макро- и микроструктурой.
 
Математическое моделирование процесса раскатки полых валов

Математическое моделирование выполнено на основе построения трехмерной конечно-элементной модели процесса изотермической раскатки полого вала поэтапно:

 

- создание геометрической модели процесса раскатки (исходная заготовка и формообразующий инструмент). 


Рис. 2.7 – Геометрическая модель раскатки вала
 
 

- построение конечно–элементной модели заготовки и ее взаимодействие с инструментом-роликом

Рис.2.8 – Дискретизация объема заготовки на конечные элементы
 
- построение реологической модели материала заготовки (использовалась реологическая модель сплава ЭК79при температуре 1100оС).
 
Исходные данные для моделирования
 
Исходные данные
Значение
Коэффициенты реологической модели
σ0, МПа
65
A
180
u
0
z
0.15
Температура заготовки
Температура инструмента
Скорость вращения заготовки
Линейная скорость подачи ролика
Tзаг,ºC
1100
Tинст,ºC
600
ωзаг, об/мин
5-30
V, мм/об
1,2-4,0
 
На рисунках 2.9 и 2.10 представлены полученные в результате моделирования графики изменения силы в радиальном и осевом направлениях в зависимости от величины подачи за один оборот при различных скоростях вращения заготовки. Из графиков видно, что при увеличении величины подачи сила заметно возрастает при всех скоростях вращения заготовки. 

Рис. 2.9 .Зависимость силы в осевом направлении от скорости подачи за один оборот при разных скоростях вращения заготовки
Рис.2.10. Зависимость силы в радиальном направлении от скорости подачи за один оборот при разных скоростях вращения заготовки
 
На рисунке 2.11 показано, что с увеличением подачи ролика, в следствии увеличения пятна контакта заготовки с роликом и повышения напряжения течения, увеличивается сила, которую необходимо приложить к ролику для раскатки вала. 

Рис.2.11 Зависимость сил в осевом и радиальном направлениях от скорости подачи за один оборот при скорости вращения заготовки 5 об/мин
 
С использованием программного комплекса DEFORM-3D решена задача математического моделирования процесса раскатки вала в изотермических условиях. В результате многовариантного варьирования формой и размерами исходной заготовки, скоростью ее вращения, величиной подачи инструмента, температурой были получены технологические решения при раскатке в соответствии с заданными размерами полых валов из листа и штампованной заготовки.
 
Математическое моделирование процесса раскатки полого вала из листа и штампованной заготовки с применением программы DEFORM-3D

Модель раскатки вала Распределение напряжения
Распределение скорости деформации 
Распределение накопленной деформации
Рис. 2.12.а Моделирование процесса раскатки вала типа «Конус» из листа.


Рис. 2. 12б Моделирование процесса раскатки вала из штампованной заготовки.
 
Физическое моделирование процессов раскатки полых валов

Физическое моделирование процесса раскатки заключается в экспериментальной апробации или воспроизведении реального процесса на модельной оснастке в масштабе с применением модельного материала для заготовки, близкого по физико-механическим свойствам при комнатной температуре к свойствам сплава, используемого в реальных условиях. 
В качестве модельного сплава используется сплав Вуда.
 


а
Рис. 2.13 а - получение отштампованной заготовки для раскатки 
Технология и образцы деталей, изготовленные из промышленных сплавов раскаткой в изотермических условиях на стане СРВ.

 
 
Рис. 2.13 б- физическое моделирование процесса раскатки полого вала типа «Конус» из сплава Вуда.

      Исходная штампованная заготовка
Раскатка заготовки
Модельный вал

Рис. 2.14 Физическое моделирование процесса раскатки модельного вала из штампованной заготовки из сплава Вуда.
 

Рис. 2.15. Схема технологического процесса изготовления полого вала из листа сплава ЭИ 962-Ш (лабораторный регламент)
 
Лабораторный регламент разработан и апробирован при изготовлении образцов полых валов из сплава ЭК79 в изотермических условиях на стане СРВ.

б
а                                                                                                      
Рис. 2.16 а- образец вала, полученного из листа сплава ЭИ 962-Ш,
б- образец вала из штампованной заготовки из сплава ЭК 79.
 
Механические свойства материала полого вала из листа сплава ЭИ 962-Ш.

 
Проведенные испытания показали повышение механических свойств материала образцов (более 10%) от значений, указанных в ТУ, а также получение однородных структур материала.
Определены режимы раскатки заготовки из сплава ЭК-79: температура 1075-1080 С, скорость деформации – 10-4 с-1 – 10-3 с-1, размер зерна γ- фазы в пределах 2-10 мкм, и γ'- фазы 1,5-5 мкм, структура однородная.
 
Методы расчета конструкций стана

Проведен анализ различных конструктивных схем станов для раскатки дисков, полых валов, колец ГТД рассмотрены примеры конструкций силовых механизмов, разработанных станов СРЖД-800 и СРВ, даны методы расчета энергосиловых параметров для типовых схем силовых узлов станов.
 
Аналитические зависимости, характеризующие взаимосвязи сил раскатки от реакций в опорах ролика – инструмента для различных конструктивных схем станов.
Для стана СРЖД-800 получена система уравнений, определяющих соотношения сил раскатки Fy и Fz, зависящих от реакций в опорах ролика – инструмента R1z, R2y, R2z.
 
Стан для раскатки жаропрочных 

Рис. 2.17. Схема взаимосвязи силы раскатки и реакции в опорах раскатных роликов.
 
Стан для раскатки полых валов СРВ

Рассмотрены схемы взаимосвязи силы раскатки и реакции в опорах ролика раскатного для стана СРВ при формообразовании конической и цилиндрической поверхностей заготовки. Получены системы уравнений для расчета сил и реакций в опорах ролика и инструмента при формообразовании конической поверхности полого вала (пример расчета сил раскатки конической поверхности вала).
 
Рис. 2.18. Системы уравнений для стана СРВ при раскатке конической поверхности полого вала.
 
При проведении НИОКР* получены результаты исследований закономерностей влияния величины деформации, скорости деформации, температуры на структуру жаропрочных сплавов (обеспечение ультрамелкозернистой структуры), а также влияния окончательной термообработки на повышение прочности и жаропрочности заготовок и деталей.
На основании математического и физического моделирования процессов формирования ультрамелкозернистой структуры заготовок и изотермической раскатки определены термомеханические и силовые параметры технологического процесса изготовления деталей ГТД, траектории и скорости перемещения рабочих органов, предложена методика выбора формы и размеров заготовки, получены результаты напряженно-деформированного состояния инструмента при изотермической раскатке деталей.
 
Показана эффективность совместного использования математического и физического моделирования деформационно-термического процесса измельчения зерен в металлах и сплавах для формирования однородной ультрамелкозернистой структуры в заготовках для последующей раскатки из них деталей в части определения оптимальных термомеханических и энергосиловых параметров для «управления» структурой материала и, следовательно, повышения механических свойств и увеличения ресурса деталей ГТД.
 
В результате выполнения фундаментальных и прикладных исследований академическими институтами ИПСМ РАН, г. Уфа и ИМАШ РАН, г. Москва, АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» и др. в области развития технологии изотермической раскатки деталей ГТД из жаропрочных сплавов разработана технологическая и конструкторская (рабочая и эскизная) документация на оборудование и технологию, изготовлены автоматизированные экспериментальные станы (СРЖД-800, СРВ), промышленный образец автоматизированной линии АЛРД-800, получены образцы деталей (дисков, полых валов) из применяемых жаропрочных сплавов, исследованы макро-микроструктура материалов образцов после изотермической раскатки, разработаны научные основы проектирования технологических процессов и систем управления. Созданный организациями ИПСМ РАН, НПЦ «Газотурбиностроения «Салют», филиал НИИД, ИМАШ РАН научно-технический задел может получить дальнейшее развитие на базе совместного научно-исследовательского и экспериментального центра производственных интеллектуальных технологий изотермической (сверхпластической) раскатки деталей ГТД.