CC BY
49
УДК 621.983; 539.374
С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Москва, МИИТ),
Е.В. Леонова, асп., (4872) 35-14-82,
mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗОТЕРИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ВАФЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Приведены результаты экспериментальных исследований процессов изотермического свободного выпучивания заготовки в прямоугольную (квадратную) матрицу с последующим оформлением (калибровкой) угловых элементов применительно к изготовлению двухслойных открытых ячеистых конструкций и четырехслойных закрытых.
Ключевые слова: эксперимент, деформация, ползучесть, давление, анизотропия, формоизменение, матрица, пневмоформовка, формоизменение, ячейка.
Экспериментальные исследования процессов изотермического формообразования при свободном выпучивании заготовки в прямоугольную (квадратную) матрицу с последующим оформлением (калибровкой) угловых элементов проводились применительно к изготовлению двухслойных открытых ячеистых конструкций ("вафельных") и четырехслойных закрытых. Первые из них используют для корпусов емкостей жидких компонентов топлива - баков из алюминиевых сплавов 1911, 1971, 1201, а вторые - для "сухих" корпусов изделий, крыльев, обтекателей из титановых сплавов ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ20 и др. При высокой несущей способности панели имеют относительно малые массу и равнопрочность при нагружении [1, 2].
Для экспериментальных работ использовалась установка на базе гидравлического пресса модели ДА2234 силой 1,6 МН, оснащенного системой нагрева оснастки до 1000 ° C, вакуумной системой, обеспечивающей остаточное давление 66,7 • 10 4 Па, системой газоподачи аргона в штамп под давлением до 5 МПа, системами контроля и регулирования всех параметров технологического процесса. Пуансоны и матрицы изготавливались из теплостойкой стали 5ХНМ или жаростойкой стали ЭП202. Уменьшение теплопередачи из зоны деформации обеспечивалось путем набора прокладок из стали 12Х18Н10Т и асбоцементных плит. Штампы закрывались кожухом с коалиновой ватой, прошитой со стеклотканью.
245
Металлографический анализ структуры материалов проводился на микроскопе «Неофот-32», а механические испытания - на разрывной машине для стандартных испытаний на растяжение.
Технологические схемы формообразования названных конструкций показаны на рис. 1, где 1 - обшивки; 2 - формируемый заполнитель; 3 -штамп; 4 - вставки; 5 - места первой сварки; 6 - формируемый купол ячейки; 7 - калиброванная ячейка; 8 - места второй сварки; 9 - изделие.
При изготовлении «вафельных» (рис. 1, а) конструкций последовательность операций была следующая:
- установка исходного набора заготовок в составе двух листов 1, 2 и наборного пластинчатого каркаса 4 между ними в штампе 3;
вакуумирование и нагрев;
- сварка давлением одного листа с каркасом в зонах 5;
- формообразование ячеек 6 на одном листе с калибровкой углов 7;
- диффузионная сварка давлением газа всех заготовок по зонам 8 с оформлением изделия 9.
На базе этой схемы проведены исследования, определяющие технологические режимы входящих операций.
б
Рис. 1. Технологические схемы этапов формообразования вафельной (а)
и 4-слойной (б) панелей
246
На рис. 2 показаны отформованные газом заготовки, на которых отрабатывали операции свободной формовки и калибровки угловых зон ячеек.
Рис. 2. Ячейки на стадиях формообразования
Экспериментально установлено, что при пневмоформовке заготовки в прямоугольную матрицу разрушение может происходить в куполе и в месте ее закрепления. Эти опытные данные использовались далее при формообразовании панелей.
На снимках структур (рис. 3) наблюдается отсутствие роста зерен, т.е. структурная устойчивость материала при обработке. Использовались листовые заготовки указанных алюминиевых сплавов толщиной 1 мм для деформируемого листа (заполнителя); толщиной 1,5...2 мм - для наружного листа (обшивки) и 1,5...2 мм - для пластинчатого каркаса. Размеры панелей в плане были до 350 мм при строительных высотах 20...30 мм и размерах ячеек 30...50 мм. Экспериментально отрабатывались процессы сварки давлением жесткого инструмента и давлением газа, режимы формообразования на стадиях выпучивания ячеек и калибровки в комплексном процессе изготовления панелей.
а б в г
Рис. 3. Структура сплавов до и после формовки: а, б - титановый сплав ВТ14; в, г - алюминиевый сплав 1911
Исходные заготовки предварительно обезжиривали, травили в азотной кислоте, сушили и на все поверхности, подлежащие соединению, наносили вакуумным напылением медь толщиной 0,5 мкм. Слой вакуумной меди диффундировал в пограничном слое при диффузионной сварке и способствовал повышению качества соединения. Пакет заготовок 1, 2, 3 устанавливали в сборе, помещали в вакуумную пресс-камеру в штампе 3, нагревали до 530 ° С с вакуумированием до 66,7 -10 4 Па.
Давлением гидроштока, передаваемого через штамп, пакет сжимали, выдерживали в течение 20 мин под давлением 10 МПа для завершения сварки каркаса с листами в зонах 5 и подавали газ (аргон) на поверхность
заполнителя 2 при температуре 475 °С. При давлении до 0,5 МПа происходила формовка купола (ячеек до его контакта с обшивкой 1). Длительность операции - в пределах 5...7 мин. На этом этап свободной формовки заканчивался, и при повышении давления до 1...1,5 МПа в течение 10 мин калибровали угловые зоны ячеек. Типовые графики изменения давления газа при формообразовании ячеистых панелей приведены на рис. 4.
а
б
Рис. 4. Экспериментальные значения давлений на стадии свободной формовки (а) и калибровки (б) ячеек панели при различной длительности операции: 1 - длительность процесса 900 с;
2 - длительность процесса 1500 с
Охлаждение производили при постепенном снятии давления, что обеспечивало термофиксацию панели, т.е. снятие остаточных напряжений и, как следствие, точность геометрии.
На рис. 5 представлены формованный ячеистый лист (заполнитель), элементы ячеистых панелей из алюминиевых термоупрочняемых сплавов 1911, 1971 и металлография зоны соединения, показывающая образование общих зерен. Прочность соединений здесь достигает прочности основного металла, что подтверждается результатами механических испытаний. Предел прочности составлял 280...300 МПа на разрыв и после термоупрочнения повышался до 350...370 МПа. Линия сварки практически не видна, что свидетельствует о соединении в твердой фазе при образовании в зонах контакта общих зерен.
Рис. 5. Формованный ячеистый заполнитель (а) и элементы панелей (б) из алюминиевых сплавов 1911, 1971; структуры зон сварки алюминиевого сплава 1911 (в), алюминиевого сплава 1971 (г)
Законы изменения давления газа p от времени деформирования t, обеспечивающие изготовления ячеистых панелей с необходимыми геометрическими размерами в течение заданного времени формоизменения, рассчитывались по методике, описанной в работе [3].
Утонение материала в угловых зонах ячеек не имеет значения для эксплуатации изготавливаемой конструкции - оно не лимитирует операции и не контролировалось. Давление газа приводит к смыканию стенок ячеек с каркасом и обшивкой, и осуществляется диффузионная сварка. Это
происходит при повышении температуры до 530 ° С, давлении газа до
5 МПа в течение 20...30 мин. При температуре до 550 °С давление газа может быть ограничено до 3 МПа.
Технологическая схема формообразования четырехслойных ячеистых конструкций (рис. 1, б), являющаяся базовой для экспериментальных исследований, сводится к такой последовательности операций: четырехслойный пакет подготовленных листовых заготовок с разнесенными обшивками 1 и двумя листами заполнителя 2 с нанесенным между ними ан-тидиффузионным покрытием устанавливают в штампе 3 на вкладышах 4 и вакуумируют зазор между листами заполнителя. После этого подают газ (аргон) в полости между этими листами и обшивками. Производится диффузионная сварка листов заполнителя по участкам 5 периметров заполнителя и ячеек под прессовым давлением плит и давлением газа. Вакууми-руют полости между заполнителем и обшивками и подают газ между листами заполнителя, осуществляя выпучивание (формовку) ячеек 6, закрепленных по своему контуру 8 диффузионной сваркой.
Формовку продолжают до смыкания ячеек с обшивками и между собой по боковым стенкам 9. Выдержка под давлением обеспечивает диффузионную сварку ячеек между собой и с обшивками. После охлаждения готовая четырехслойная пустотелая конструкция (панель) извлекается из оснастки.
При изготовлении панелей из алюминиевых сплавов соединение листов заполнителя перед его формообразованием производят отдельно методами сварки плавлением с несквозным проплавом: электронно-
лучевым или лазерным. Режимы операций, как обобщенный результат экспериментальных работ указаны в таблице.
Режимы операций
Материал Температура, ° С Давление, МПа Время, мин Остаточное давление, Па.
Формовка / сварка
ВТ14 875 ,0 0, 15 / 30 133,310-3...
ВТ6С 930 3,0 15 / 45 133,310-2
1971 530 ,7 о, ,5 0, 20 / 90 66,710-4
5,0
Образцы некоторых элементов ячеистых конструкций и металлография зоны соединения, показывающая образование общих зерен, представлены на рис. 6.
Рис. 6. Двухслойный формованный газом заполнитель (а), двухслойная (б) и четырехслойная (в) ячеистые панели из титана ВТ14 и сплава 1971, структура зон сварки (г) алюминиевого сплава 1911
Работа выполнена по государственным контрактам в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и грантам РФФИ.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427с.
2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
3. Яковлев С.С., Ларин С.Н., Трегубов В.И. Изотермическая пневмоформовка элементов ячеистых многослойных листовых конструкций из
анизотропных высокопрочных материалов в режиме ползучести / под ред. С.С. Яковлева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 173 с.
S.N. Larin, S.S. Yakovlev, V.N. Chudin, E.V. Leonova
THE EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ISOTHERMAL FORMING OF CELLED CONSTRUCTIONS
The results of experimental investigations of free isothermal bulging processes in rectangular (square) die with following arrangement (calibration) of angular elements due to biamellar opened and four-ply closed celled construction production are provided.
Key words: experiment, deformation, creeping, pressure, anisotropy, forming, die, pneumatic forming, cell.
Получено 15.01.12
УДК 681.3
B.Ф. Кузин, д-р техн. наук, проф. каф. СПВ, (4872) 33-24-20, avkuzin@hotbox.ru., (Россия, Тула, ТулГУ),
C. М. Бочаров, канд. техн. наук, доц.,. (4872) 35-33-87 (Россия, Тула, ТулГУ),
Нгуен Куанг Ман, асп., (4872) 35-33-87 (Россия, Тула, ТулГУ)
ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗНОСТЕННОГО ЦИЛИНДРА ПРИ ЕГО НАГРУЖЕНИИ ДАВЛЕНИЕМ
Рассмотрено воздействие давления на внутренней поверхности цилиндра на его деформационные параметры.
Ключевые слова: конечные элементы, граничные условия, деформация и напряжение.
Для идеального цилиндра рассчитать напряжение и деформацию в любой его точке можно по зависимостям Габриеля Ламе. Выявить влияния разностенности цилиндра на распределение деформаций не представляется возможным. Поэтому решение проведем методом конечных элементов для цилиндра представленного на рис. 1.
При нулевой разностенности разница с точным решением не превысила 0.25%.
Возможности статического прочностного анализа программы метода конечных элементов используются для определения перемещений, напряжений, деформаций и усилий, которые возникают в конструкции или ее составных частях в результате приложения механических сил, давлений либо перемещений. В программе МКЭ для решения этих задач использу-
