Экспериментальные исследования операции изотермической пневмоформовки куполообразных деталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.983; 539.374

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ПНЕВМОФОРМОВКИ КУПОЛООБРАЗНЫХ ДЕТАЛЕЙ

С.С. Яковлев, С.Н. Ларин, В.И. Платонов, Я. А. Соболев

Приведены результаты экспериментальных исследований операции изотермической пневмоформовки куполообразных деталей из высокопрочных листовых алюминиевых и титановых сплавов.

Ключевые слова: высокопрочный материал, куполообразная деталь, деформирование, пневмоформовка, кратковременная ползучесть, давление, температура, толщина, листовая заготовка.

В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли куполообразные детали. Традиционные методы их изготовления штамповкой на прессах весьма трудоемки и проблематичны в части обеспечения необходимой геометрической точности [1 - 3].

Изотермическое формоизменение куполообразных деталей газом из листовых высокопрочных алюминиевых и титановых сплавов имеет значительные преимущества перед традиционными методами обработки и весьма перспективно при использовании его в промышленности.

Проведены экспериментальные исследования процесса горячего формообразования газом оболочек из высокопрочных листовых алюминиевых и титановых сплавов. Подвергались деформированию газом (аргоном) алюминиевые сплавы АМг6, 1971 (с добавкой скандия) и сплав 1911 с мелкозернистой структурой, а также титановые сплавы ВТ6, ВТ6С, ВТ 14, ВТ20, ВТ23 - в вакууме или среде нейтрального газа.

Формообразование сферических оболочек осуществлялось по следующим вариантам: прямая однооперационная формовка, однооперацион-ная с неравномерным распределением температуры по образующей заготовки и формовка с реверсированием. Все варианты деформирования реализованы в рамках схемы, показанной на рис. 1.

Режимы формообразования отрабатывались при изготовлении макетных оболочек из листов толщиной 1 ...1,5 мм при диаметрах 200...500 мм.

Фиксирование исходной плоской круглой в плане заготовки осуществлялось штампом от гидропривода пресса или жесткими клиньями при беспрессовом варианте штамповки. Под давлением газа, подаваемого на поверхность заготовки, производилось ее выпучивание в полость штампа. Закон изменения давления газа во времени деформирования подбирался в соответствии с рекомендациями, изложенными в работах

[4 - 8].

1-я операция 2-я операция

Рис. 1. Технологическая схема газоформовки листовой оболочки: 1 - верхняя часть штампа; 2 - вкладыш; 3 - нижняя часть штампа;

4 - полуфабрикат; 5 - изделие

Режимы технологических операций для титановых сплавов были следущие: температура - 900...950 0С; давление газа - 1...1,5 МПа; время операции - 15...30 мин., а для алюминиевых сплавов - Т = 450...475 0С при давлении р до 1 МПа и времени деформирования 10...20 мин. Исходные материалы имели мелкозернистую (< 10 мкм) структуру. Формовка в вакууме при остаточном давлении 10 мм рт. ст. или проточном аргоне препятствовала росту окисной пленки на заготовках. Процесс зависит от скоростных условий обработки (роста давления газа по времени). Повышение скорости деформирования вызывало рост давления и высокую неравномерность толщины по образующей. Уменьшение скорости приводило к перегреву, росту зерна металла, накоплению внутренних дефектов. В этой связи процесс формоизменения должен быть оптимальным по длительности, т.е. времени деформирования. От этого зависят величины предельных деформаций и разнотолщинность стенки изделия. Выявлено, что особенно чувствительны к режиму времени титановые сплавы.

При формоизменении оболочки из алюминиевых сплавов АМг6 и 1971 временной режим влияет на величину технологического давления; предельная степень формообразования и утонение практически от него не зависят. Более существенная зависимость от времени титановых сплавов. Так при формообразовании полусфер из титановых сплавов ВТ6, ВТ6С и ВТ23 радиусом 500 мм из листа толщиной 1,5 мм максимальное давление газа составляет 1,0 МПа на четвертой минуте операции при конечном давлении 0,8 МПа и общем времени операции 15 мин. Максимальное утонение заготовки в куполе полусферы при однооперационном варианте хорошо согласуется с расчетными данными, приведенными в работах [1 - 3].

При формовке с большими степенями деформаций в ряде случаев

создавали противодавление, для чего газ подавали также на заготовку с противоположной стороны, т.е. наполняли газом под давлением полость штампа. К этому варианту прибегали при формовке куполообразных оболочек из алюминиевых сплавов типа АМг6, имеющих большую, чем титановые сплавы, склонность к возникновению и развитию внутренних дефектов - повреждаемости при деформировании в условиях растяжения. Размеры зерен практически не выросли после формообразования оболочек и находятся в пределах 3...5 мкм. Пределы прочности исходных материалов, составлявшие 1,15х10 МПа для сплава ВТ23, (2...2,2)х10 МПа для

'у

сплава АМг6, (2,8...3)10 МПа для сплавов 1971 и 1911. Для обеспечения геометрической точности изделия, которая может быть нарушена неравномерным распределением остаточных напряжений и поводками оболочки при остывании, проводилась температурная фиксация: заготовки охлаждали совместно со штамповой оснасткой под давлением газа. Контур отформованной заготовки в этом случае повторяет профиль оснастки, что и определяет ее точность. При однопереходной штамповке, как уже отмечалось, возникает большая неравномерность относительной толщины стенки (Но/ Н) по образующей от радиуса фланца до центра полусферы.

а б

Рис. 2. Образцы куполообразных деталей из титановых ВТ14 и ВТ23 сплавов

Для оболочек из сплавов ВТ6С и ВТ23 она составляла в среднем 2,5; а для оболочек из сплава АМг6 - 3. В данном случае для уменьшения неравномерности использовались два варианта: двухпереходная штамповка на вкладыш (реверсирование) и создание неравномерного температурного поля на заготовке (в пределах 150...2000 от центра к краю). Это позволило снизить неравномерность распределения толщины оболочек из названных материалов до 2 и 2,2 соответственно. При втором варианте заготовка воспроизводит форму реверсивной штамповки: периферийная зона

опережает центральную, а к концу формовки контур принимает сферическую форму.

На рис. 2 показаны макетные образцы, изготовленные изотермической пневмоформовкой.

По сравнению с традиционной многопереходной штамповкой, последующей механической обработкой и пригонкой трудоемкость снижается в 2...3 раза, расход металла - в 3...5 раз, точность геометрии изделия повышается в 5...7 раз.

Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания №2014/227 на выполнение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 14-08-00066 а.

Список литературы

1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.

2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев, В.Н. Чудин, Я.А. Соболев, С.П. Яковлев, В.И. Трегубов, С.Н. Ларин. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.

3. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / Под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.

4. Яковлев С.С., Ларин С.Н., Леонова Е.В. Теоретические основы изотермического деформирования анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 1. С. 110-122.

5. Математическая модель изотермического деформирования куполообразных оболочек из анизотропных материалов в режиме ползучести / С.Н. Ларин, С.С. Яковлев, В.И. Платонов, Я. А. Соболев // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 3. С. 168-174.

6. Силовые режимы изотермической пневмоформовки куполообразных деталей из высокопрочных трансверсально-изотропных материалов в режиме вязкого течения / С.С. Яковлев, С.Н. Ларин, В.И. Платонов, Я. А. Соболев // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 4. С. 47-55.

7. Ларин С.Н., Яковлев С.С., Платонов В.И. Предельные возможности изотермического деформирования куполообразных оболочек из высокопрочных анизотропных материалов в режиме вязкого течения // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 5. С. 43-48.

8. Влияние анизотропии механических свойств заготовки на пре-

дельные возможности изотермической пневмоформовки куполообразных деталей в режиме вязкого течения / С.Н. Ларин, С.С. Яковлев, В.И. Платонов, В. А. Коротков // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 6. С. 10-16.

Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, доц., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., mpf-tulaa ramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Соболев Яков Алексеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tulaa ramhler.ru, Россия, Москва, ОАО «Вектор»

EXPERIMENTAL STUDIES OF OPERATIONS INSULATED PNEVMOFORMOVKI

DOME-SHAPED DETAILS

S.N. Larin, S.S. Yakovlev, V.I. Platonov, Y.A. Soholev

The experimental results of operations isothermal-cal pnevmoformovki domed parts of high-strength sheet aluminum-Nieve and titanium alloys.

Key words: high-strength material, the dome-shaped part, deformedtion, pnevmo-formovka, short-term creep, pressure, temperature, tol-ness, sheet hlank.

Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, associate professor, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, associate professor, mpf-tulaa ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Soholev Yakov Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Moskov, OAO "Vektor"