CC BY
35
С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, В.Н. Чудин, А.А. Пасынков (Тула, ТулГУ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОТРАБОТКА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОРЕБРЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
На основе ряда технологических схем изготовления корпусных конструкций летательных аппаратов проведены эксхеуименталъныеработы по сварке давлением и формовке газом входящих элементов. Приведены режимы операций.
Работа выполнена по грантам РФФИ№ 07-01-00041 и № 07-0812123.
Основной объем по металлоемкости в летательных аппаратах занимают корпусные узы - оболочки различной геометрической формы, несущие нагрузки в процессе эксплуатации, которыми, в частности, являются крылья. Они должны иметь высокую удельную прочность (отношение ра-рушающей нагрузки к собственной массе).
Перспективно применение конструкций с монолитными ребрами жесткости (шпангоутами), многослойных же истых (пустотелых) конструкций, которые могут состоять из наружных листов-обшивок и внутренних формованных листов-заполнителей. Конструкции крыла с ранесеннши обшивками способны нести высокие нагрузки, что делает их эффективными для летательны: аппаратов. Технологические варианты их изготовления рассмотрены в работах [1, 2]. В данной статье приводятся результаты исследований наиболее перспективных схем промышленного производства. Опробованы возможности их реаизации в части установления температурно-скоростных режимов деформирования, определения давления газа и оценки качества изделий.
Оценка качества включала следующие показатели: соответствие геометрии панелей чертежам, металлографию материма и прочность конструкции по условиям отраслевых нормативов.
Листовые титановые сплавы, которые применяют для крыла ракет, с ра-мером зерен менее 7...10 мкм, что обеспечиваось заводом-изготовителем,
высокопрочными с пределом прочности до 1,2 -10 МПа. Эти сплавы структурно устойчивы при длительных процессах горячей обработки давлением. При соответствующих температурно-скоростных режимах обработки они проявляют высокую способность к формоизменению.
Для экспериментальных работ использоваась установка на бае гидравлического пресса модели ДА2234 силой 1,6 МН, оснащенного системой нагрева оснастки до 1000 °С, вакуумной системой, обеспечивающей
остаточное давление 0,5 -10_4 мм рт. ст., системой газоподачи аргона в штамп под давлением до 5 МПа, системами контроля и регулирования всех параметров технологического процесса.
70
Типовые схемы формообразования конструкций вафельного и стрингерного типов приведены ниже.
Процессы диффузионной сварки давлением, по схеме на рис. 1, проводили на титановых сплавах ВТ6С, ВТ14, ВТ23. Подготовительные операции для листовых образцов заключались в механической зачистке поверхностей металлическими щетками, промывке в бензине и сушке.
а
б
Рис. 1. Технологическая схема сварки давлением вафельной конструкции: а - вакуумирование и нагрев сборки; б - сварка давлением
Сварка давлением в твердой фае титановых сплавов сводилась к такой последовательности операций:
• подготовка исходных заготовок (очистка, обезжиривание, промывка, сушка);
• нанесение антидиффузионного покрытия (механическое или гальваническое) на места, не подлежащие соединению;
• сборка конструкций, установка в вакуумную камеру;
-3 -2
• нагрев до 900...1000 °С с вакуумированием до 10 ...10 мм.рт.ст.
(рис. 1, а);
• приложение контактного давления с выдержкой до 60 мин (сварка) (рис. 1 , б);
• охлаждение в вакууме под нагрузкой и удаление готовой конструкции.
Режимы сварки контактным давлением от жесткого инструмента приведені в табл. 1.
Таблица 1
Режимы сварки контактным давлением от жесткого инструмента
Матери а Температура, °С Давление, МПа Время, мин Деформация в зоне сварки по толщине, % Предел прочности соединения на рарыв, МПа
ВТ6С ВТ14 875...900 3...5 30 0,05...0,1 До 900
Микроструктура сварных соединений выявлялась после электролитической полировки в электролите и наблюдения в поляризованном свете на микроскопе «Неофот-32». В зоне контакта наблюдались общие рекри-сталлизационные зерна.
При изготовлении «вафельных» конструкций «по схеме сварка-формовка - сварка» (рис. 2) последовательность операций была следующая:
• установка исходного набора заготовок в составе листов 1, 2, 4 и наборного пластинчатого каркаса 3 между ними в штампе; вакуумирование и нагрев; сварка давлением листов с каркасом; формообраование ячеек на листе 4 с калибровкой углов; диффузионна сварка давлением гаа всех ячеек с каркасом 3 и листом 4.
На бае этой схемы проведены исследования, определяющие технологические режимы входящих операций.
//;//Л/ // Д /Г//// ‘Л
// ¿¿Ж
:_______________________________________________________________________
Ж
а
б
в
Рис. 2. Технологическая схема изготовления формовкой - сваркой вафельной конструкции: а - вакуумирование, нагрев, сварка; б - формовка ячеек; в - формовка - сварка газом
В табл. 2 приведены экспериментальные данные режимов опера-
ций.
Таблица 2
Экспериментальные данные режимов операций формовка - сварка
Материал Температура, °С Давление, МПа Время, мин
Формовка/сварка
ВТ14 875 ,0 ,7. 0, 15/30
ВТ23 900 3,0 15/45
На рис. 3 покаан график изменения во времени давлений цикла сварки - формовки яеек- сварки пи формообраовании панелей вафельной конструкции.
I. МИН
--------------
Рис. 3. Типовой график давлений при формообразовании конструкций
бафть^го типа (сплав ВТ 14)
Образцы элементов оребренных корпусов представлены на рис. 4.
Рис. 4. Конструкции вафельного типа (сплавы ВТ14, ВТ23)
Экспериментально-технологические работы по формообраованию панелей стрингерной конструкции поводились также на заготовках из на-
званных выше титановых сплавов. Изготавливали макетные оребренные панели с отработкой режимов операций.
Рамеры панелей в плане 500 мм, строительна высота 20...30 мм, угол конуса полости трапециевидного элемента составлял 30...450. Трехслойный пакет сваренных заготовок нагреваи до 875...900 °С в штампе в
_2
атмосфере инертного гаа (аргон) или в вакууме 10 мм рт. ст., гермети-
зироваи по контуру давлением плунжера гидропресса.
Га (аргон) от балона подаваи на пакет заготовок (рис. 5, а), осуществлял диффузионную сварку под давлением до 5 МПа в течение 10 мин с выдержкой под этим давлением до 30 мин. При этом из пакета заготовок
_3
производилась откачка гаа до 10 мм рт. ст., что фиксировалось вакуумметром. Переключаи подачу гаа в пакет и растяжением внутреннего листа (рис. 5, б) формовали конструкцию (рис. 5, в).
б
в
Рис. 5. Технологическая схема формообразования стрингерной конструкции: а - вакуумирование, нагрев, сварка; б - формовка (растяжение) газом; в - калибровка газом издеия
Давление газа при формообразовании не превышао 1 МПа, а время процесса - 15...20 мин. Типовая конструкция панели имеет листы толщиной 1 мм, высоту 20 мм, угол между заполнителем и обшивкой - 45°. Для панели из титанового сплава ВТ14 пи 875 °С требовася рост давления до 0,5 МПа пи времени формообраования 15 мин и 0,65 МПа пи 10 мин. Снижение времени операции в данном случае требует увеличения давления и может привести к обрыву внутреннего листа. Уменьшение угла конуса полости трапециевидного элемента менее 30° сопровождается, как правило, разрывом внутреннего листа.
Металографический анаиз, проведенный на приборе «Ниофот», покаа отсутствие роста зерен на границах соединений. Механическими
испытаниями установлено: преДел прочности ВТ 14 900...930 МПа. Таким образом, данная технология не приводит к падению прочности исходных материалов.
На рис. 6 приведены графики давлений при формообразовании стрингерных конструкций в функции времени.
Рис. 6. Типовые графики давлений формообразования газом панели
за 600 и 800 с
Образцы стрингерных конструкций представлены нарис. 7.
Рис. 7. Конструкции стрингерного типа (сплавы ВТ14, ВТ 23)
Новые технологические процессы производства легких высокопрочных конструкций эффективны за счет увеличения удельной прочности
изделий в 1,2.. .1,5 раз; точности геометрии в 5.. .7 раз; сокращения расходов материалов на 50.70 %; снижения трудоемкости производства в 2.3 раза.
Библиографический список
1. Механика процессов изотермического формоизменения элементов многослойных листовых конструкций / С.П. Яковлев [и др.]. - Тула: ТулГУ, 2001. - 216 с.
2. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев [и др.]. - М.: Машиностроение, 2004. - 427 с.
Получено 24.10.08.
УДК 621.983; 539.374
С.С. Яковлев, А.В. Черняев, Д.В. Крылов (Тула, ТулГУ)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ НА СИЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ОБЖИМА ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК В РЕЖИМЕ ПОЛЗУЧЕСТИ
Приведены результаты теоретических исследований влияния коэффициентов цилиндрической анизотропии на силовые режимы и предельные степени деформации при изотермическом обжиме тонкостенных цилиндрических оболочек жестким инст-рлментом в режиме ползучести.
Работа выполнена по грантам РФФИ № 07-01-00041 и № 07-08-12123.
Прокат, используемый для процессов обработки металлов давлением, обладает анизотропией механически свойств, котора зависит от физико-химического состава сплава и технологии его получения. Анизотропия механических свойств заготовки оказывает существенное влияние на силовые, деформационные параметры процессов обработки ме-талов давлением, на качество получаемых изделий.
Ниже изложены отдельные результаты теоретических исследований по влиянию коэффициентов цилиндрической анизотропии механических свойств на силовые режимы и предельные степени деформации при изотермическом обжиме тонкостенных цилиндрических оболочек жестким инструментом в режиме ползучести.
