Проектирование заготовок деталей
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ
АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДАМИ ГОРЯЧЕГО ОБЪЕМНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Учебное пособие
Авторы: А.П. Шулепов, И.М. Трухман, И.Л. Шитарев
Самара 1998 г.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
Высокоскоростная штамповка.
Обработке с высокими скоростями деформации подвергают различные материалы, в том числе труднодеформируемые - жаропрочные и титановые сплавы, коррозионно-стойкие стали.
Технология высокоскоростной штамповки может быть использована для получения точных поковок с тонкими стенками, с минимальными штамповочными уклонами. При этом значительно снижается трудоемкость последующей обработки заготовок в механических цехах, повышается качество изготовления деталей.
Как показала практика, высокоскоростная деформация является одним из путей повышения точности поковок.
Технологические возможности высокоскоростной штамповки основываются на ряде особенностей процесса и оборудования:
· повышенная (8-20м/с) скорость деформирования, позволяющая сократить длительность процесса штамповки, выполнить его практически без теплообмена, что создает условия для изготовления сложных и точных поковок с тонкими элементами, которые трудно получить на обычных молотах и прессах;
· наличие нижнего (или верхнего) выталкивателя с большим ходом и значительным усилием, что позволяет получать поковки с минимальными штамповочными уклонами или без уклона;
· повышенная точность дозирования энергии последовательных ударов.
На высокоскоростном оборудования фактически можно получить толщину стенок 3-4 мм, точность выполняемых размеров по 6-7-му квалитетам и выше; отдельные элементы поковок (ребра, лопатки) можно выполнить с допуском 0,05-0,1 мм; шероховатость поковок из титановых сплавов и сталей Rz20-Rz25.
Высокоскоростная штамповка позволяет обрабатывать различные материалы и сплавы.
К преимуществам высокоскоростной штамповки относятся:
· деформирование на высокоскоростных машинах проводит к увеличению теплосодержания поковки, таким образом, формообразование происходит в таких тепловых условиях, которые поддерживают в деформируемом материале высокую пластичность;
· трение в условиях высокоскоростного деформирования ниже, чем при деформации с обычными скоростями;
Для высокоскоростной штамповки используют специализированное оборудование - высокоскоростные молоты. Скорость инструмента находится в пределах 8-20м/с.
К нагреву заголовок на высокоскоростном молоте следует предъявлять более высокие требования, чем при штамповке на обычном оборудовании, т.е. повышенные требования к размерности прогрева, толщины дефектного слоя на поверхности (обезуглероживание у сталей, альфированный слой у титановых лопаток).
Ротационная ковка.
Для получения заготовок наиболее близко приближающимся по конфигурации и размерам к готовой детали применяется ротационная ковка. Этот метод заключается в периодических обжатиях и вытягивании по уступам отрезанной от прутка цилиндрической заготовки в специальных матрицах. Большое число, следующих друг задругам (примерно через 0,01 с), обжатий пластически деформируют заготовку, уменьшая ее поперечное сечение и заставляя металл течь в осевом направлении. Этот метод применим в крупносерийном производстве.
Таблица 5
Выбор способа изготовления поковок и оборудования методом горячей штамповки
| Способ штамповки | Оборудование | Типы поковок | ||||||||||||||
| В открытых штампах | ПШМ | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||||
| ФП | + | + | + | + | + | |||||||||||
| КГШП | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||
| ГШП | + | + | ||||||||||||||
| В закрытых штампах | ПШМ | + | + | + | + | |||||||||||
| ФП | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||
| КГШП | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||
| ГШП | + | + | + | + | ||||||||||||
| Выдавливанием и прошивкой | ФП | + | + | |||||||||||||
| КГШП | + | + | + | |||||||||||||
| ГШП | + | + | + | |||||||||||||
| На горизонтально-ковочных машинах | ГКМ | + | + | + | + | + | + | |||||||||
| На высокоскоростных молотах | ВСМ | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||||
Обозначения: ПШМ – паровоздушный молот; ФП – фрикционный винтовой пресс; КГШП – кривошипный
горячештамповочный пресс; ГШП – гидравлический штамповочный пресс; ГКМ – горизонтально-ковочная
машина; ВСМ – высокоскоростной молот.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ПОКОВОК
Разработку чертежа поковки производят следующим образом: выбирают плоскость разъема; назначают припуски, допуски, напуски; определяют уклоны, радиусы закруглений, наметки под прошивку и размеры перемычек; решают вопросы, связанные с расположением волокон в поковке и баз для последующей механической обработки.
Пример проектирования поковки
Требуется спроектировать заготовку для детали «муфта» из материала 38ХА, обработка которой осуществляется в условиях серийного производства (рис.3, а).
В соответствии с табл. 4 заготовка для «муфты» относится к типу поковок круглых в плане со сквозной полостью (тип 12). Такого типа поковка, как это следует из табл.5, может быть получена различными способами: в закрытых штампах с использованием фрикционного, гидравлического и горячештамповочного прессов, путём прошивки и выдавливания, на горизонтально-ковочных машинах и высокоскоростных молотах.
Из всех рассмотренных и возможных способов получения поковки наиболее целесообразным является штамповка на ГКМ так как:
· Обеспечивает более высокую производительность, что является важным с учётом серийности производства;
· Макроструктура поковок получается благоприятной и обеспечивает высокое качество деталей;
· Отсутствует резка прутка на мерные заготовки и есть возможность штамповки нескольких заготовок с одного нагрева;
а) б)
1. Материал 38 ХА.
2. Штамповка на ГКМ.
3. Термообработка – нормализация.
4. Допуски на неоговоренные размеры +(-) 0,7.
5. Штамповочные радиусы R 8+3; R 6+2 ;R 5^+2.
6. Заусенец по периметру среза не более 2 мм.
7. КИМ – 0,8.
8. Остальные тех. Требования по ГОСТ 141187-78.
Рис.3. Чертеж (б) и поковки (а)
· Нет необходимости в специальном обрезном прессе.
При штамповке на ГКМ плоскость разъёма совпадает с осью симметрии детали. С учётом того, что при высадке легче и быстрее деформируется обращённый к пуансону конец заготовки, участок, соответствующий фланцу детали, будет формироваться в полости пуансона, а ступицы – в полости матрицы.
Проведём расчёт размера поковки по нормативным значениям общих припусков.
Принимаем класс точности изготовления поковки – 1 класс.
Определяем категорию материала: для стали 38Хам-группа М1 (см.п.2.2.).
Определяем группу сложности поковки по формуле
С =Vпок/Vфнг. =180см2 = 0,25, что соответствует 3 группе сложности.
Масса поковки, определяемая по массе детали с учётом припусков на механическую обработку и кузнечных напусков, будет равна m = 2,1кг. По табл.6 в зависимости от требуемой шероховатости поверхности готовой детали, назначаем припуски на механическую обработку для различных элементарных поверхностей, каждая из которых на чертеже имеет свой номер. Нагрев заготовки будет осуществляться в пламенной печи, поэтому припуск на обработку увеличивается на 0.5мм.
Допуски на размеры поковки назначаем по табл.7.
Штамповочный уклон на отверстие Æ30, согласно табл.8, принимаем равным 20.
Радиусы закруглений и соответствующие им допуски выбираются по табл.9.
Результаты расчёта размеров поковки представлены в табл.13, а на рис.3,б представлен её чертёж с техническими требованиями на поковку.
Авиадвигателей
Заготовки валов
Условия работы валов определяют высокие требования к механическим свойствам материала.
Материалом для авиационных двигателей служат высококачественные легированные стали. Чаще всего применяются хромоникелевые стали 18ХНВА, 12ХНЗА, 40ХНМА и т.д.
Таблица 13
Определение размеров поковки
| Номер поверхности | Размер поверхности | Шероховатость, мкм | Припуск, мкм | Расчетные размеры поковки | Принятые размеры поковки |
| Æ120 | Rz 320 | 1.6+0.5=2.1 | Æ120+2(2.21)=Æ124.2 | Æ124.5  | |
| Æ70 | Rz 40 | 2.0+0.5=2.5 | Æ70+2(2.5)=Æ75.0 | Æ75.0  | |
| Æ51 | 0.32 | 2.3+0.5=2.8 | Æ51+2(2.28)=Æ56.6 | Æ57 | |
| Æ46 | Rz 320 | 1.4+0.5=1.9 | Æ46+2(1.9)=Æ49.8 | Æ50  | |
| Æ35 | Rz 40 | 1.9+0.5=2.4 | Æ35-2(2.4)=Æ30.2 | Æ30 | |
| 64-(9.5+4)=50.5 | Rz 40 | 2.0+0.5=2.5 | 50.5+2.4-1.9=51.1 | 51 | |
| 9.5+4-10.5=3.0 | Rz 40 | 1.9+0.5=2.4 | 3+(1.9+2.4)=7.3 | 7,5  | |
| 9.5+4=13.5 | Rz 40 | 1.9+0.5=2.4 | 13.5+2.4+1.9=17.8 | 18 | |
| 9.5 | Rz 40 | 1.9+0.5=2.4 | 9.5+2.4+1.9=13.8 | 14 | |
| исходная база | Rz 320 | 1.4+0.5=1.9 | исходная база |
Заготовки валов, как правило, получают штамповкой, поперечным прокатом при серийном производстве и ротационной ковкой при крупносерийном производстве. Пустотелые тонкостенные валы конической формы можно получить методом ротационного выдавливания. Штампуют заготовки на молотах, прессах или горизонтально-ковочных машинах. Разъём штампов в зависимости от формы заготовки может быть вдоль или поперёк оси вала. Поперечный разъём возможен обычно в тех случаях, когда вал не имеет на конце фланец, а остальная часть его гладкая или ступенчатая с постепенным (от фланца) уменьшением диаметра ступеней. При поперечном разъёме можно получить отверстие со стороны большого торца (у разъёма), особенно если заготовка куётся на ГКМ. Однако это делают тогда, когда диаметр отверстия достаточно велик, не менее 30 мм. Припуск на обработку в зависимости от формы и размеров вала колеблются от 6 до 12 мм на диаметр.
Заготовки валов, полученные ротационной ковкой, наиболее близко приближаются по конфигурации и размерам к готовой детали.
В механический цех заготовки поступают в нормализованном состоянии с твёрдостью НВ 190 – 270, с них должна быть снята окалина (травлением или другим способом), зачищены наружные дефекты, если глубина их залегания не превышает половины припуска на сторону.
Заготовки валов сложной формы могут быть выполнены из отдельных элементов, связанных между собой сваркой. Прочность сварных соединений практически не уступает прочности металлов, из которых изготовлены отдельные элементы, и составляет 94 – 98% от прочности основного материала.
На рис. 4 и 5 представлены чертежи заготовок валов, полученные штамповкой и ротационным раскатом.
Заготовки дисков
Диски турбин работают при высоких температурах под напряжением, достигающим 500МН/м2 (5000 кг/см2), изготавливаются из жаропрочных сплавов ХН77ТЮР(ЭИ437Б), ХН70ВМТЮ(ЭИ – 617) и др.
Диски осевых компрессоров работают при пониженных температурах и с меньшей нагрузкой, изготавливают их из менее прочных и жаростойких металлов – 18ХНВА, 20ХНЗМ, 13Х12НВМФА(ЭИ – 961) и др., сплавов титана ВТ3 – 1, ВТ – 9, алюминия АК4 – 1, АК6 – 1.
Заготовки дисков турбин и компрессоров ГТД штампуют в закрытых штампах на молотах или мощных прессах.
 | 1. Неуказанные радиусы R=5+(-) 2. 2. В скобках проставлены чистовые размеры. 3. Поковки термообрабатывать на твердость по Бр. dотл> 3,55. 4. Поковки не травить. 5. Радиусы без допусков не контролировать. 6. Маркировать шрифтом поковки и номером плавки. 7. Допускаются: а) наружные дефекты на глубину до половины припуска на сторону, считая от номинала поковки. Глубину залегания дефектов проверить контрольной зачисткой; б) смещение штампов до 1,5 мм; в) облой до 3 мм на сторону; г) недоштамповка +5-2 8. Поковки 2 группы контроля. 9. Макро согласовывается в плоскости сечения. 10. Место маркировки и отпечатки твердости по усмотрению поставщика. 11. Вес чистой детали 5 кг КИМ=0,16; КНП=0. 12. Группа сложности 3. 13. Эксцентричность отверстий в пределах допусков. |
Рис.4. Поковка вала
 |
Рис.5. Вал, полученный ротационным раскатом
Форму заготовок максимально приближают к форме готовых дисков, припуск на обработку – 5…6мм на сторону. Однако, в некоторых случаях из-за сложной конфигурации детали, назначенные припуски значительно больше.
Все заготовки дисков клеймятся с указанием марки материала, шрифта детали. Номер плавки и номера диска.
Стальные заготовки поставляются в нормализованном или отожжённом виде, протравленные, с заданной твёрдостью. В прилагаемом к заготовке документе указываются свойства материала. Заготовки из материала типа ЭИ 437Б поставляются без термообработки и травления.
На поверхности обработанной заготовки не должно быть плен, заковов, трещин, инородных включений и др. дефектов, нарушающих сплошность материала.
Конструкция заготовки диска компрессора из титанового сплава ВТ9 представлена на рис.6.
Заготовки зубчатых колёс
Зубчатые колёса авиационных двигателей работают с нагрузкой, доходящей до 700 – 800 Н на 1 мм длины зуба. Зубчатые колёса авиационных двигателей в большинстве случаев изготавливают из цементируемых и азотируемых сталей.
Заготовки зубчатых колёс получают горячей объёмной штамповкой на молотах, горизонтально-ковочных машинах и на прессах. Исходным материалом для заготовок является круглый прутковый материал.
Вид заготовки и метод её изготовления определяется её формой, размерами и программой выпуска. Наиболее производительным методом изготовления заготовок зубчатых колёс является высадка на горизонтально-ковочной машине из нагретого конца длинного прутка. Наибольшая эффективность достигается тогда, когда отформованные заготовки отделяются от нагретого прутка высадкой сквозного отверстия.
Для сокращения механической обработки и увеличения прочности иногда заготовки крупномодульных зубчатых колёс делают с зубьями. Такие заготовки получают штамповкой или (что более выгодно) горячим накатыванием или прессованием через фильтры. Точность горячекатанных зубьев на уровне чернового зубофрезерования. Методом прессования на гидравлических прессах с помощью зубчатых фильтров можно получать дисковые и стержневые заготовки колёс. Полученные после прессования зубчатые стержни разрезают на отдельные заготовки зубчатых колёс.
На рис. 8 представлен чертёж поковки конической шестерни, полученной высокоскоростной штамповкой.
 | 1. Штамповочный уклон 7°±1°30¢ . 2. Неуказанные размеры R3мм. 3. Условный пунктир и размеры в скобках относятся к детали. 4. Допуск на недоштамповку +1,8 до -0,8 мм. 5. Допуск на горизонтальные размеры и незакоординированные радиусы по ТРосв 82 – 13 – 72 для обычных штамповок. 6. Смещение по замкам 1,5 мм. 7. Маркировать ударным клеймом: шифр, условный № плавки, клеймо ОТК. 8. Группа контроля – 2. 9. Группа сложности – 4. 10. Масса детали 0,72. 11. К. В. 7. 0,4. 12. F = 350 см. 13. Допустимый остаток облоя по замкам 2,0 мм; по перу в радиусах сопряжения до 3,5 мм. 14. Профиль пера рассчитан на ЭВМ; обкатка по профилю пера учета 1,5 мм. 15. Контроль профиля пера производится на спец. приборе спец. шаблонами. |
Рис.7. Изотермическая штамповка лопатки компрессора.
 | 1. Штамповка 3 группы по ТУ01.1048.КИМ=0,7 2. НВ 255…292. Группа контроля 3. 3. Неуказанные радиусы R 0,5. 4. Базы для контроля и механической обработки Ø26 и торец “Т” 5. В штампе учесть усадку 1%. 6. Шифр горячего штампа 65500/4168. 7. Допускается толщина облоя на пов “К” не более 0,8мм. 8. После штамповки поверхность обдуть песком (уточняется по результатам штамповки). 9. Профиль зуба штамповки обеспечить инструментом. 10. * Размеры для справок. |
Рис.8 Высокоскоростная штамповка конической шестерни.
Список литературы
1. Бойцов В. В., Трофимов И. Д., Горячая объёмная штамповка – М.:Высш. Шк., 1988. – 264 с.: ил.
2. Шестаков Н. А., Шевченко А. А. Технология ротационной ковки и вальцовки. – М.:Высш. шк., 1988 – 167 с.: ил.
3. Афонькин М. Г., Магницкая М. В. Производство заготовок в машиностроении. – Л.:Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987. – 256 с.: ил.
4. Раскинд В. Л. Справочник молодого кузнеца – штамповщика – М.:Высш. шк., 1985. – 256 с. ил.
5. Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах и горизонтально-ковочных машинах / А. А. Атрощенко, Е. П. Булат, В. Д. Спирин, В. И. Фёдоров. Под общ. ред. П. В. Камнева, А. П. Атрощенко. – Л.:Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983. – 95 с. ил.
6. Штамповка на молотах, фрикционных и гидравлических прессах / А. П. Атрощенко, Е. П. Булат, Б. П. Рудаков и др. Под общ. ред. П. В. Камнева, А. П. Атрощенко. – Л.:Машиностроение. Ленингр. отделение, 1981. – 112 с., ил.
7. Ковка на молотах и гидравлических прессах / Л. Н. Петров, В. Ф. Касатонов, И. З. Этин. Под общ. ред. П. В. Камнева и А. П. Атрощенко – Л.:Машиностроение. Ленингр. отделение, 1980. – 128 с., ил.
8. Горячая вальцовка заготовок / В. К. Смирнов, К. И. Литвинов, С. В. Харитонов. – М.:Машиностроение, 1980. – 150 с., ил.
Оглавление
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ.................... 2
1.1. Способы изготовления поковок....................................................................................................... 2
Высокоскоростная штамповка............................................................................................. 13
Ротационная ковка..................................................................................................................... 14
1.3 Типы поковок, получаемых методами горячего объемного деформирования............................ 15
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПОКОВОК 19
2.1 Выбор плоскости разъема штампа................................................................................................. 20
2.2. Определение припусков на механическую обработку.......................................... 24
2.3. Определение допусков на горячую объемную штамповку................................. 25
2.4. Определение кузнечных напусков............................................................................. 28
2.6 Пример проектирования паковки.................................................................................... 40
3. выбор исходной заготовки для основных деталей авиадвигателей............................................... 42
3.1. Заготовки валов............................................................................................................... 43
3.2. Заготовки дисков.................................................................................................................... 44
3.3 .Заготовки лопаток компрессора.................................................................................................... 47
3.4 Заготовки зубчатых колёс.................................................................................................. 51
Список литературы.................................................................................................................................. 54
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ