DE19829937A1

DE19829937A1 - Method for producing ring-shaped forged workpieces

Info

Publication number: DE19829937A1
Application number: DE1998129937
Authority: DE
Inventors: Hildebrand Bangert
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1998-07-04
Filing date: 1998-07-04
Publication date: 2000-01-13

Abstract

A block consisting of heat resistant steel and nickel alloys, with a required height and diameter is subjected to inverse extrusion to produce a cup-shaped blank (7) with a cylindrical wall (8) of specified thickness and a bottom (9) with a minimum possible thickness. The wall is divided into several rings (10, 11, 12, 13, 14) which are forged to produce workpieces with their final geometry.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ringförmiger Schmiedeteile für Rotorelemente in Gasturbinentriebwerken, gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruches 1.The invention relates to a method for producing annular forgings for Rotor elements in gas turbine engines, according to the preamble of the patent saying 1.

Aufgrund der hohen Festigkeitsanforderungen an Rotorelemente in Gasturbinen triebwerken werden die Rohteile hierfür meistens als Schmiedeteile ausgeführt. Spe ziell im Turbinenbereich ist eine ausreichende Hitzebeständigkeit der Bauteilwerk stoffe erforderlich, weshalb dort bevorzugt hochlegierte Metalle auf Fe- und Ni-Basis zur Anwendung kommen. Solche Legierungen fallen zum Teil unter die Pauschalbe zeichnung "Superlegierungen".Due to the high strength requirements for rotor elements in gas turbines engines, the raw parts are mostly designed as forgings. Spe Adequate heat resistance of the component plant is essential in the turbine area materials required, which is why there is a preference for high-alloyed metals based on Fe and Ni come into use. Such alloys are partly covered by the flat rate drawing "superalloys".

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung solcher geschmiedeter, ringförmiger Rohteile wird ein massiver, kreiszylindrischer, kokillengegossener Block mit 500 mm Durchmesser als Ausgangsbasis benutzt, welcher ein handelsübliches Halbzeug für derartige Speziallegierungen darstellt. Der "Weg" von besagtem Block bis zum ge schmiedeten Rohteil führt über folgende Verfahrensschritte:
In a known method for producing such forged, ring-shaped raw parts, a solid, circular-cylindrical, mold-cast block with a diameter of 500 mm is used as the starting base, which is a commercially available semi-finished product for such special alloys. The "path" from said block to the forged blank takes the following process steps:

1. Convert the block in several heat (forming steps) to a knot pel with a diameter of 300 mm,
2. Cut the stick to length with a stick on each of the later raw part fitted weight,
3. upsetting and punching the stilts into blanks on an open-die forging press,
4. Rolling (widening) of the perforated round blanks over a mandrel on a free form forging press,
5. ring rolling the expanded blanks into preforms,
6. Finish forging the preforms on a drop forging press to the ge wanted raw parts.

Dieses bekannte Verfahren weist mehrere Nachteile auf. Die Vielzahl der Einzel schritte mit der Erfordernis der Knüppelfertigung sowie mit Einzelfertigung der Vor formen führt zu einem sehr zeit- und kostenintensiven Ablauf. Die Freiform-Schmie deschritte können örtlich relativ unterschiedliche Umformgrade mit nachteiligem Einfluß auf den Rekristallisationsgrad und den Ausscheidungszustand zur Folge ha ben, d. h. eine unbefriedigende Werkstoffhomogenität mit lokal variierenden Werk stückeigenschaften. Somit ist die Reproduzierbarkeit des Verfahrens im ganzen alles andere als optimal.This known method has several disadvantages. The multitude of individuals steps with the requirement of billet production as well as with individual production of the pre shaping leads to a very time-consuming and cost-intensive process. The free-form Schmie Deschritte can locally different degrees of deformation with disadvantageous Influence on the degree of recrystallization and the excretion state ha ben, d. H. unsatisfactory material homogeneity with locally varying work piece properties. The reproducibility of the process is therefore everything other than optimal.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstel lung ringförmiger Schmiedeteile für Rotorelemente in Gasturbinentriebwerken anzu geben, welches von einem handelsüblichen, kreiszylindrischen Block als Basisteil ausgeht und welches sich durch einen schnellen und kostengünstigen Ablauf sowie durch eine hohe Homogenität und Reproduzierbarkeit des Werkstoffgefüges und somit der Bauteileigenschaften auszeichnet.In contrast, the object of the invention is a method of manufacture tion of annular forgings for rotor elements in gas turbine engines give which of a commercially available, circular cylindrical block as the base part comes out and which is characterized by a fast and inexpensive process as well through a high degree of homogeneity and reproducibility of the material structure and thus distinguishes the component properties.

Dieses Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Kombination der Ver fahrensschritte a bis d gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.This object is achieved by the combination of Ver Steps a to d solved in connection with the generic features in its generic term.

Das Verfahren beschränkt sich somit auf ein Minimum an relativ einfachen, schnel len und reproduzierbaren Schritten, wobei bis zum Separieren der Schmiedteil- Vorformen nur ein Teil zu handhaben ist. Der Prozeßschritt des Rückwärts-Fließ pressens ergibt ein hohlzylindrisches "Halbzeug" mit guter Form- und Maßhaltigkeit sowie mit einem besonders gleichmäßigen Umformgrad ohne lokale Abweichungen, wodurch die gewünschten Eigenschaften der Vorformen/Ringe sichergestellt sind. Der Anfall an Restmaterial (Schrott) ist gering und durch die Recyclebarkeit des Werkstoffes auch ökologisch vertretbar. Mit Ausnahme des ersten, obersten Ringes (Kopfschrott) sind in der Regel alle abgetrennten Ringe zu hochbelastbaren Bauteilen weiterverarbeitbar. The method is therefore limited to a minimum of relatively simple, quick len and reproducible steps, up to the separation of the forgings Preforming is only a part to handle. The process step of backward flow pressens results in a hollow cylindrical "semi-finished product" with good dimensional and dimensional stability as well as with a particularly uniform degree of deformation without local deviations, which ensures the desired properties of the preforms / rings. The amount of residual material (scrap) is low and due to the recyclability of the Material is also ecologically justifiable. With the exception of the first, top ring (Scrap head) are usually all separated rings to heavy-duty components further processable.

In den Unteransprüche sind bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.Preferred embodiments of the method according to the Main claim marked.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Da bei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:The invention is explained in more detail with reference to the drawings. There for show in a simplified, not to scale:

Fig. 1 das Stauchen des Blockes auf einen größeren Durchmesser, Fig. 1, the upsetting of the block to a larger diameter,

Fig. 2 die Vorrichtung für das Rückwärtsfließpressen mit eingelegtem Block, Fig. 2 shows the device for the indirect extrusion with an inserted block,

Fig. 3 den mit der Vorrichtung nach Fig. 2 erzeugten, tassenförmigen Hohlkörper, Fig. 3 shows the hollow body produced by the apparatus of Fig. 2, cup-shaped,

Fig. 4 ein aus einem Abschnitt des Hohlkörpers gefertigtes Schmiedeteil. Fig. 4 is a forged part made from a portion of the hollow body.

Ein handelsüblicher Block 1 aus einer für Gasturbinentriebwerke geeigneten Spezi allegierung weist in der Regel einen Durchmesser D1 von 500 mm auf. Die herzu stellenden Schmiedeteile sind im Durchmesser zum Teil deutlich größer, so daß ein Umformen des Blockes sinnvoll bzw. erforderlich sein kann. Dieser Fall ist in Fig. 1 dargestellt. Zwischen einer ebenen oberen Fläche 2 und einer ebenen unteren Flä che 3 wird der Block 1 im "warmen" Zustand - mittels einer geeigneten Presse - von seiner ursprünglichen Länge L1 auf eine reduzierte Länge L2 gestaucht, wobei sich sein Durchmesser vom ursprünglichen Maß D1 auf das gewünschte Maß D2, z. B. auf 640 mm, vergrößert. Um einen definierten Durchmesser D2 über die Länge L2 zu erhalten, ist der Block 1 beim Stauchen von einer Form 1/Kapsel umgeben, welche hier der Übersichtlichkeit wegen nicht wiedergegeben ist. Wohlgemerkt gibt es auch Fälle, in denen ein Stauchen/eine Durchmessererhöhung nicht erforderlich ist.A commercially available block 1 made of a alloy suitable for gas turbine engines generally has a diameter D1 of 500 mm. The forgings to be produced are in part significantly larger in diameter, so that reshaping of the block can be useful or necessary. This case is shown in Fig. 1. Between a flat upper surface 2 and a flat lower surface 3 , the block 1 is compressed in the "warm" state - by means of a suitable press - from its original length L1 to a reduced length L2, its diameter changing from the original dimension D1 to that desired dimension D2, z. B. enlarged to 640 mm. In order to obtain a defined diameter D2 over the length L2, the block 1 is surrounded by a mold 1 / capsule during compression, which is not shown here for the sake of clarity. Mind you there are also cases in which a compression / an increase in diameter is not necessary.

Ein erfindungswesentlicher Umformschritt ist jedoch das sogenannte Rückwärts fließpressen des Blockes 1 mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 2. Dabei wird der Block 1 in die zylindrische Ausnehmung 6 einer Form 5 eingelegt und bei geeigneter, erhöhter Temperatur durch Eindrücken eines stempelartigen Werkzeuges 4 bis nahe dem Boden der Ausnehmung 6 zu einem tassenförmigen Hohlkörper 7 fließverformt.An essential forming step according to the invention, however, is the so-called backward extrusion of the block 1 with a device according to FIG. 2. The block 1 is inserted into the cylindrical recess 6 of a mold 5 and at a suitable, elevated temperature by pressing in a stamp-like tool 4 to near the bottom the recess 6 is flow-formed into a cup-shaped hollow body 7 .

Fig. 3 zeigt diesen Hohlkörper 7 im Längsschnitt - ohne Schraffur -, wobei der dickwandige, hohlzylindrische Wandbereich 8 und der dünnwandige, ebene Boden bereich 9 zu erkennen sind. Der Bodenbereich 9 stellt recyclebaren Abfall, auch Fußschrott genannt, dar, dessen Masse möglichst minimiert wird. Der Wandbereich 8 ist größtenteils für Bauteile verwertbar, wobei in der Regel sein oberes Ende, hier als Ring 10 bezeichnet, ebenfalls als Abfall, sogenannter Kopfschrott, abgetrennt wird, da dieses durch den Fließprozeß bedingt sowohl von der Geometrie als auch vom Gefügte/der Umformgradverteilung her nicht die gewünschten Ma ße/Eigenschaften aufweist. Selbstverständlich wird angestrebt, auch die Kopf schrottmasse zu minimieren. In Fig. 3 sind mit horizontalen, strichpunktierten Lini en die Trennebenen angedeutet, in denen der Hohlkörper 7, z. B. durch Sägeschnitte, durchtrennt wird. Bauteilgeeignet sind im vorliegenden Fall die Ringe 11 bis 14, wel che der Einfachheit halber axial gleich hoch/lang dargestellt sind. In Wirklichkeit können die Ringe auch unterschiedliche Axialmaße und somit unterschiedliches Vo lumen/Gewicht aufweisen, um daraus verschiedene Teile zu fertigen, z. B. Rotor scheiben und Dichtringe. Fig. 3 shows this hollow body 7 in longitudinal section - without hatching -, the thick-walled, hollow-cylindrical wall area 8 and the thin-walled, flat bottom area 9 can be seen. The floor area 9 represents recyclable waste, also called foot scrap, the mass of which is minimized as far as possible. The wall area 8 is largely usable for components, with its upper end, here referred to as ring 10, generally also being separated as waste, so-called head scrap, since this is caused by the flow process both from the geometry and from the structure / the degree of distribution does not have the desired dimensions / properties. Of course, efforts are also being made to minimize the amount of scrap scrap. In Fig. 3, the dividing planes are indicated with horizontal, dash-dotted lines in which the hollow body 7 , z. B. is cut by saw cuts. Component-suitable in the present case are the rings 11 to 14 , which are shown axially the same height / length for the sake of simplicity. In reality, the rings can also have different axial dimensions and thus different Vo lumen / weight in order to manufacture different parts, z. B. rotor discs and sealing rings.

Um aus den kreiszylindrischen Ringen 11 bis 14 Rohteile zu formen, welche hin sichtlich ihrer Gestalt und ihrer Festigkeitseigenschaften bestmöglich an die ge wünschten Fertigteile angepaßt sind, ist als weiterer erfindungswesentlicher Um formschritt das Gesenkschmieden der einzelnen Ringe vorgesehen. Auch für diesen Schritt werden die Werkstücke "erwärmt", d. h. auf eine geeignete hohe Temperatur gebracht.To form from the circular cylindrical rings 11 to 14 raw parts, which are visually adapted to the desired finished parts in terms of their shape and strength properties, die forging of the individual rings is provided as a further essential step of the invention. The workpieces are also "heated" for this step, ie brought to a suitable high temperature.

Fig. 4 zeigt beispielhaft ein fertiges Schmiedeteil 15, dessen Gestalt auf eine Ver wendung als ringförmige Rotorscheibe hindeutet. Fig. 4 shows an example of a finished forged part 15 , the shape of which indicates a use as an annular rotor disk.

Die noch erforderlichen, insbesondere spanabhebenden, Bearbeitungsschritte vom Schmiedeteil 15 bis hin zur fertigen Scheibe sind nicht Gegenstand der Erfindung und werden deshalb nicht weiter erläutert.The still necessary, in particular machining, processing steps from the forged part 15 to the finished disc are not the subject of the invention and are therefore not further explained.

Claims

1. A process for producing ring-shaped forgings for rotor elements in gas turbine engines, in particular from heat-resistant steel and nickel alloys for use in the turbine area and high-pressure compressor area, whereby a commercially available, solid, metallic block with a defined circular-cylindrical geometry forms the basis for several forgings, characterized by the combination of the following process steps:

a) using the block ( 1 ) in the given geometry (D1, L1) or upsetting the block ( 1 ) to a larger diameter (D2, L2), depending on the diameter of the forged parts to be produced,
b) Backward extrusion of the - possibly compressed - block ( 1 ) by means of a stamp-like tool ( 4 ) in a mold ( 5 ) with a cylindrical recess ( 6 ) to a cup-shaped hollow body ( 7 ) with a circular cylindrical wall area ( 8 ) of defined thickness and a - if possible - thin-walled floor area ( 9 ),
c) dividing the wall area ( 8 ) of the hollow body ( 7 ) into a plurality of circular cylindrical rings ( 10 to 14 ), the separated bottom area ( 9 ) being obtained as a recyclable residual material, and
d) drop forging of the dimensionally and structurally flawless rings ( 11 to 14 ) to forged parts ( 15 ) with defined, the later finished parts adapted shape.

2. The method according to claim 1, characterized by dividing the Wandbe rich ( 8 ) of the cup-shaped hollow body ( 7 ) in rings ( 10 to 14 ) by sawing, for. B. by means of a band saw, a first rings ( 10 ) with - if possible - a small axial length being sawn from the open end of the extruded hollow body ( 7 ) and - like the bottom region ( 9 ) - being treated as residual material.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized by the use of egg nes block ( 1 ) with a diameter (D1) of 500 mm as the base part and by upsetting this block ( 1 ) to a diameter (D2) of more than 600 mm .

4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized by the use of the forgings ( 15 ) for turbine disks, high-pressure compressor disks and sealing rings, wherein blocks ( 1 ) made of high-alloy steel and nickel materials, such as. B. from Waspaloy, Inco 718, Gatorized Waspaloy, Udimet 720 and A286, form the basis for the forgings ( 15 ).