Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 9

В некоторых случаях это может послужитьпричиной разрыва на вытягиваемой детали. Продольные риски на рабочихповерхностях матриц и пуансонов вытяжных штампов приводят к образованию навертикальных стенках вытягиваемой детали полос (рисок) [52]. Правильноесопряжение трущихся поверхностей штампов также зависит от шероховатостиповерхностисопрягаемыхдеталей.Плохоотполированныепосадочныеповерхности после непродолжительной работы вследствие истирания гребешковтеряют свои размеры: увеличивается размер отверстия, а размер стержняуменьшается, и скользящая посадка переходит в посадку движения или ходовую,точность теряется [71]. При этом минимальный радиус скругления сопряженныхповерхностей не должен быть меньше 0,1 мм.57Штамп для пластин теплообменника является ответственной деталью итребует повышенных требований к оснастке.Для решения практических задач необходимо задаться технологическимограничениями, в данном случае — максимально возможной высотой профиляпластины при штамповке.

Для определения максимальной высоты профиляпластины проведен эксперимент.Врамкахданнойработыдляштамповкибылиспользованинструментальный штамп. Исследовались следующие высоты профиля пластин:1,6 мм, 2 мм, 2,1мм, 2,2мм, 2,3 мм, 2,5мм (рисунки 24-25). В экспериментерассматривалась пластины из стали ХН45Ю, толщиной 0,2 мм.

На рисунках 2427 представлены результаты штамповки пластины до высот 1,6 мм и 2,0 мм.а)б)Рисунок 24 - Пластина с высотой профиля: а)1,6 мм б) 2,0 ммРисунок 25 - Пластина с высотой профиля 2,0 мм. Вид сверху58После высоты профиля 2 мм, по плану эксперимента была высота профиля2,5 мм. Однако при данной высоте профиля пластины наблюдалось разрушениеполотна материала (рисунок 26). Попытка изготовить пластину с высотойпрофиля 2,4 мм также была безуспешной.

Далее вытяжку производили с шагом0,1мм от выбранного номинального значения 2,0 мм, для определения максимума.Для вытяжки использовали один и тот же штамп, регулирование глубинывытяжки производилось упорами и пластиками толщиной 0,1 мм (пластиныустанавливании на упоры).Рисунок 26 - Пластина с высотой 2,5 ммПри высоте профиля 2,3 мм на пластине также имело место разрушениеполотна, в местах, показанных на рисунке 27.Разрыв материалаРисунок 27 - Пластина с высотой 2,3 мм59Высоты профиля пластин 2,1 мм и 2,2 мм были выполнены без разрываматериала, однако, для обеспечения прочностных характеристик, для этихразмеровследуетпровестидополнительныепрочностныеисследования.Учитывая выполнение требований по прочности и максимально низких потерьдавления, в качестве максимально достижимой была принята высота профиляпластины 2 мм.В соответствии с полученными результатами, гофра пластины, которуюудалосьполучитьнаинструментальномштампеимеетследующиегеометрические размеры:- толщина пластины 0,2 мм;- высота профиля пластины от 1,6 мм до 2 мм.

Нижний предел выбран изсоображенийэффективноститеплообменногоаппарата.Верхнийпределограничен технологическими возможностями;- шаг гофра от вершины до вершины – от 8 мм;- угол раскрытия гофра – 60°...75°.Следует заметить, что не уделялось большого внимания углу скрещиваниягофров, поскольку это не влияет на процесс штамповки.3.4 Технологические переходы изготовления теплообменного аппаратаВ работах прошлых лет задача соединения пластин в конверты не быларешена. Это послужило одной из основных причин прекращения работ в данномнаправлении,посколькувсепаяныетеплообменникинеудовлетворялитребованиям герметичности. В настоящее время ситуация изменилась, иблагодаря совершенствованию технологий производства появилась возможностьобеспечивать прочный сварной шов двух тонкостенных пластин.Диапазон заданных температур, потребовал в ходе выполнения даннойработыприменениядеформируемогожаропрочногосплава20Х23Н18.Основными элементами для получения этого сплава являются хром, никель ижелезо.

Хром образует с кислородом прочную окисную пленку, плавящуюся притемпературе только около 2275°. Эта пленка хорошо защищает металл от60дальнейшего окисления кислородом при высоких температурах, обусловливаяжаростойкость сплава. Высокое содержание никеля придает сплаву аустенитнуюструктуру, обладающую высокой пластичностью. 20Х23Н18 применяется прирабочей температуре металлической конструкции до 1000 К (при условииневысоких механических нагрузок), при этом у данного сплава наблюдаетсяотсутствие поперечных границ зёрен, что ведет к более низкому модулюупругостииболеевысокойпластичности.Температурныеограниченияприменения жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловленырастворением,быстройкоагуляциейупрочняющейфазыипадениемжаропрочности при перегревах деталей в процессе эксплуатации.

Как и другиедеформируемые сплавы 20Х23Н18 имеет более мелкозернистую структуру,которая обеспечивает его более высокое сопротивление усталости, тогда каклитейные сплавы с равноосной структурой имеют более высокую жаропрочность,но низкое сопротивление усталостным и циклическим нагрузкам.В качестве способа изготовления заготовок использовалась лазерная резка.Принцип работы: сфокусированный лазерный луч, обычно управляемыйкомпьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяетразрезать практически любые материалы независимо от их теплофизическихсвойств. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материалразрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струейгаза. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термическоговлияния.

Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия наобрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временныев процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этоголазерную резку, даже легкодеформируемых и нежестких заготовок и деталей,можно осуществлять с высокой степенью точности.

Благодаря большой мощностилазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса всочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительнопростое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную61резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокойстепенью автоматизации процесса.Основными проблемами сварки конструкций из жаропрочных сплавовявляются:- образование пленки тугоплавкой окиси хрома, ухудшающей взаимноесплавлениезеренметалла,чтоявляетсязатруднениемдляполучениявысококачественного сварного соединения;- хромоникелевые сплавы обладают примерно в два раза меньшейтеплопроводностью и в полтора раза большим коэффициентом линейногорасширения по сравнению с конструкционными углеродистыми сталями, поэтомупри сварке жаропрочных сплавов возникают дополнительные трудности —возможность перегрева металла, появления прожогов, сильного коробленияизделий, образования трещин;-образованиевсварномшвеизонетермическоговлияниякрупнокристаллической столбчатой структуры с выраженной ликвационнойнеоднородностью.Образованиеликвацийобуславливаетналичиемикрохимической неоднородности, что приводит к уменьшению длительнойпрочности, жаропрочности и к охрупчиванию.В сварном шве и в зоне термического влияния высокая вероятностьзарожденияиобразованиягорячихтрещин,из-заналичияликваций,температурного интервала хрупкости, сегрегации примесей и эвтектик пограницам крупного зерна.

Укрупнение зерна снижает протяженность и повышаетширину межзеренных границ, что уменьшает их прочность и их сопротивлениепри механических нагрузках, напряженном объемном состоянии. Вероятностьгорячих трещин увеличивается с увеличением концентрации примесей иостаточных газов в наплавленном и основном металле. Для уменьшениявероятности появления горячих трещин необходимо снижать погонную энергиюсварки, применять источники теплоты с высокой концентрацией ввода энергии –лазерный луч, электронный луч, гибридные способы сварки – плазменно-дуговой,лазерно-дуговой процесс.

Другим эффективным способом является методы по62снижению воздействия неоднородностей процессов объемной кристаллизациисварочной ванны путем введения между двумя сварочными технологическимипереходамидвухчасовогоотпускапри850°Сввакуумнойпечидляпредупреждения образования трещин.Анализ причин возможного брака в конструкциях ТА, изготовленных из20Х23Н18 потребовал проведения серии подготовительных технологическихопераций и жесткого исполнения следующих приемов:При всех способах сварки жаропрочных сплавов, применявшихся в даннойработе, особое значение имело хорошее качество подготовки и взаимнойподгонки кромок. Кромки предварительно обрабатывались на токарных,фрезерных или строгальных станках или зачищались вручную.

Поверхностьпластин под роликовую шовную сварку подвергалась пескоструйной очистке ипротравливалась в смеси растворов азотной и плавиковых кислот.Все свариваемые элементы закреплялись перед сваркой в приспособлениях,предупреждающих их взаимное перемещение. Прихватки применялись только втех случаях, когда без них нельзя было обойтись, так как в местах прихваток приповторном нагреве возможно образование трещин.В месте окончания шва не допускалось глубокого кратера, так как в неммогут образоваться мелкие трещины. При нахлестном соединении пластин(толщина 0,2 мм) применялась только роликовая шовная сварка, в соединениипластина (0.2 мм) – фланец (2 мм) микроплазменная сварка, как методы с низкойпогонной энергией сварки. Применение аргонодуговой сварки допускалосьтолько при сварке равнотолщинных изделий толщиной до 3 мм во избежаниегорячих трещин, при этом длина дуги не превышала 2 мм, а угол наклонаэлектрода к вертикали составляла 10-15°.При микроплазменной и аргонодуговой сварке жаропрочных сплавовприменялся аргон, который не содержал влаги, а также более 0,05% кислорода иболее 0,24% азота.На фрезерном станке изготовлено приспособление для сварки пластин(далее ложемент) (рисунок 28).

К ложементу предъявлялись требования полного63соответствия рисунка его внутренних поверхностей рисунку поверхности пластин(по узору производилось их позиционирование при сварке), жесткость обоих ееполовинокприлегкомразъемеотносительнонаправляющихстержней,неэлектропроводность (во избежание токов паразитного шунтирования). Врезультате выбор материала для приспособления пал на капролон с вкрученнымив него бронзовыми втулками скольжения по покупным направляющим стержнямиз стали.Рисунок 28 – Приспособление формы для сварки пластин (ложемент)Подготовка пескоструйной очисткой, травлением и сварка отштампованныхпластин для сварки попарно в ложементе производилась на машине точечнойсварки МТ604, переоборудованной для осуществления роликовой шовнойимпульсной шаговой сварки (Рисунок 29 ).

Основной технологической проблемойработы на этом этапе стала адаптация метода роликовой шовной импульснойшаговой сварки для соединения пластин с толщиной листа 0,2...0,3 мм из сплава20Х23Н18. Данный сплав потребовал более высокого (по сравнению со сваркойизделий из Ст3сп) давления при сжатии электродов, Pсж=4 атм (вместо Pсж=2 атм).Остальные параметры режима сварки не отличались от штатных для изделий изСт3сп: ток 300А, импульс 0,1 сек, пауза 0,5 сек, скорость 120 точек/сек.64Рисунок 29 - Машина точечной сварки МТ 604, переоборудованная дляосуществления роликовой шовной импульсной шаговой сваркиСборка пластин в конверт производится в ложементе при помощироликовой шовной импульсной шаговой сварки (рисунок 30), режимы сваркиэквивалентны режимам в предыдущем этапе.