Горячая штамповка листа из титанового сплава с помощью электроконтактного нагрева Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

THE SIGNIFICANCE OF THE BACK TENSION USAGE IN CROSS-SECTIONAL TUBE DRAWING PROCESS

Okulov Roman Alexandrovich - Postgraduate Student, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected].

Parshin Sergei Vladimirovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected].

References

Abstract. The article is devoted to the problem of current interest that is the study of resulting products geometry and power parameters of the drawing process dependence on the use of back tension force. The work was performed by the software using the finite element method and was practically experimented. The results of theoretical and practical parts are in good agreement. As a result of this work the required dependencies have been defined and valuable recommendations to producers have been given.

Keywords: drawing, back tension, steel X6CrNiTi18-10, cross-sectional tube.

1. Perlin I.L., Ermanok M.Z. The theory of drawing. Moscow, 1971, 448 p.

2. Danchenko V.N., Sergeev V.V., Nikulin E.V. Production of shaped pipes. Moscow: Intermet Engineering, 2003, 224 p.

3. Orlov G.A., Vagapov E.N., Chernyshev D.U., Popov D.A. Some of the technological capabilities of the roller tube drawing. Production of steel. 2012, no. 4, pp. 28-31.

4. Bogatov A.A., Mizhiritsky O.I., Smirnov S.V. Resource ductility metal processing pressure. Moscow: Metallurgy, 1984, 144 p.

5. Okulov R.A., Parshin V.S., Karamyshev A.P. Energy intensity of treatment rivet wire drawing of duralumin and radial compression. Bulletin of mechanical engineering. 2012, no. 9, pp. 80-81.

УДК 621.98

Хамедон 3., Мори К., Маено Т., Ямашита Ю.

ГОРЯЧАЯ ШТАМПОВКА ЛИСТА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАГРЕВА

Аннотация. Процесс горячей штамповки листа из титанового сплава с использованием электроконтактного нагрева был разработан с целью повышения производительности. Использование данного процесса позволило не только снизить нагрузку при деформации металла, но и получать требуемую конфигурацию детали при высоких температурах.

Было установлено, что с увеличением температуры нагрева заготовки уменьшается упругое последействие в штампованной детали. Несмотря на то, что игольчатый мартенсит образуется при нагреве в печи до 1050°С, микроструктура при электроконтактном нагреве до 880°С была аналогична ранее получаемой структуре. При электроконтактном нагреве до 880°С твердость увеличилась до 370 НУ20.

Также установлено, что горячая листовая штамповка с помощью электроконтактного нагрева заготовки из титанового сплава, используемая для получения изделий цилиндрической формы, позволяет повысить производительность всего процесса.

Ключевые слова: листовая заготовка из титанового сплава, П-6А1-4У, горячая штамповка, электроконтактный нагрев, упругое последействие.

Введение

Все чаще используют листовые заготовки из титанового сплава для изготовления деталей самолета благодаря их повышенной прочности при высоких температурах, низкой плотности, высокой коррозионной стойкости и т.д. Так как листовой заготовке из титанового сплава свойственна пониженная пластичность в холодном состоянии, а следовательно, пониженная штампуемость, то целесообразно осуществлять горячую листовую штамповку. При использовании стандартной печи для нагрева заготовок перед горячей штамповкой имеет место низкая производительность процесса. Время нагрева инструмента составляет около 2 ч, а время нагрева листов в печи и время штамповки - несколько минут.

Быстрый электроконтактный нагрев является прогрессивным способом и обычно применяется для предварительного нагрева заготовок перед штамповкой. Время электроконтактного нагрева до температуры 900°С составляет 2 с. Мори и др. применили электроконтактный нагрев при теплой и горячей

штамповке сверхвысокопрочных стальных листов [1], при литье и закалке при горячей штамповке для получения деталей из сверхвысокопрочных сталей с равномерно распределенными прочностными характеристиками [2] и соответственно при штамповке стержня шестерни из сверхвысокопрочной стали [3].

Кроме того, Мори с соавторами [4] разработал процесс пробивки сверхпрочных стальных листов с использованием локального электроконтактного нагрева двигающейся зоны. Ранее выполненные исследования Озтурком с соавторами [5] применения электроконтактного нагрева при горячей штамповке листов из титанового сплава не показали существенных положительных результатов.

В настоящем исследовании процесс горячей штамповки листа из титанового сплава с помощью элекгроконтактного нагрева был осуществлен для того, чтобы увеличить пластичность металла и снизить нагрузку при деформации. Выполнена оценка упругого последействия и определена твердость на отштампованном нагретом листе.

Горячая штамповкалиста из титанового сплава.

Хамедон 3., Мори К., Маено Т., Ямашита Ю.

1. Процесс горячей штамповки листа из титанового сплава

1.1 Эксперимент

Лист из альфа-бета титанового сплава Т1-6Л1-4У (А1 - 6,0%, V - 4,0%, Бе - 0,4%, О - 0,2%, С - 0,08%, N - 0,05%, Н - 0,015%), имеющего толщину 1,2 мм, был отштампован при высоких температурах. Механические свойства титанового листа были определены при испытании на одноосное растяжение при различных температурах нагрева. В качестве универсального инструмента при испытании на растяжение были использованы тиски с рабочей нагрузкой 50 кН.

По результатам испытаний получены зависимости значений временного сопротивления разрыву и относительного удлинения от температуры нагрева заготовки из титанового сплава (рис. 1). При увеличении температуры нагрева, особенно выше 560°С, временное сопротивление разрыву уменьшается, а относительное удлинение возрастает.

1200 — 1000 ^

'^-^Сопротивление разрыву

Э 800

600 400 200

0

Относительное удлинение

]_I_I

80 60 40 20

Держатель заготовки

Зажим клектрода Заготовка ^Ч

Медный электрод

200 400 600 800 1000 О

Температура нагрева Т, °С

Рис. 1. Зависимости значений временного сопротивления разрыву и относительного удлинения,

полученных при испытании на растяжение, от температуры нагрева заготовки из титанового сплава

Горячая штамповка деталей с цилиндрическими элементами с использованием электроконтактного нагрева показана на рис. 2. Нагрев листовой заготовки размерами 130 х 20 мм осуществляли на локальных участках: шириной 5 мм от каждого края. Во время электроконтактного нагрева исключался контакт с матрицей, перфоратором для пробивки отверстий и держателем заготовки во избежание их нагрева.

При испытаниях использовали листогибочный пресс CNC с максимальной допустимой нагрузкой 800 кН. Временной интервал между окончанием нагрева и началом деформации составляет всего 0,2 с. Условия эксперимента приведены в таблице.

Экспериментальные условия при горячей штамповке

Изолятор

Рис. 2. Горячая штамповка листа из титанового сплава с использованием электроконтактного нагрева

1.2. Особенности нагрева листовой заготовки

Зависимость электрического сопротивления листовой заготовки из титанового сплава от температуры нагрева показана на рис. 3. Изменение удельного электрического сопротивления для заготовки из тита-нового сплава относительно небольшое, по сравнению с заготовкой из стали. Очень сложно равномерно нагревать лист для поддержания постоянного сопротивления. Увеличение сопротивления, вызванное повышением температуры в локальных участках, приводит к уменьшению силы тока и, следовательно, увеличению температуры на этих участках.

¡1

3000 2500 2000 1500

ё юоо

Он

8 500

- Титановый сплав

- ______——' 'Сталь

1 1 1 1

Давление на держатель листа, МПа 0,6

Давление на зажим электрода, МПа 4

Время выдержки в нижней «мертвой» точке ¡, с 0; 3; 6

Скорость гибки, мм/с 150

Плотность тока, А/мм2 12,5

Температура нагрева Т, °С 370 550 690 790 880

Время нагрева ¡ь, с 2.8 4.9 6.1 7.3 8.0

0 200 400 600 800 1000

Температура нагрева Т, °С

Рис. 3. Зависимость электрического сопротивления от температуры нагрева листовых заготовок из титанового сплава и стали

Распределение значений температуры при электроконтактном нагреве в продольном направлении заготовки из титанового сплава показано на рис. 4. Температура нагрева в зоне деформации почти равномерна, тогда как оба края листа недо-

статочно нагреваются при контакте с электродами.

1000г

800

У

Ц 600

я

& 400

& 200

С

(и

н

0 20 40 60 80 100 120

Расстояние между краями листа, мм

Рис. 4. Распределение значений температуры по длине заготовки из титанового сплава

2. Результаты горячей штамповки листа из титанового сплава при электроконтактном нагреве

2.1. Штампованные листовые заготовки

Штампованные детали с цилиндрическими элементами с использованием электроконтактного нагрева до Т = 880°С сравнили с штампованным деталями с использованием нагрева в печи (рис. 5). При нагреве заготовки в печи наблюдается увеличение упругого последействия металла и значительная сте -пень окисления поверхности штампованной заготов -ки, а при использовании электроконтактного нагрева эти явления незначительны.

Нагревв печи, 4 = 240 с

Электрический нагрев, ^ = 8 с

Рис. 5. Сравнение штампованных деталей при нагреве в печи и при электрическом нагреве доТ = 880°С и Г = 3 с

Для обнаружения наличия трещин в деталях с цилиндрическими элементами был использован метод неразрушающего флуоресцентного проникающего контроля. Полученные результаты представлены на рис. 6.

а

Примеры пластин сотражающей подсветкой для обнаружения трещин

Т = 560°С 690°С

790° С

880°С

Рис. 6. Штампованныедетали во время неразрушающего флуоресцентного проникающего контроля при Г = 3 с

2.2. Усилие штамповки и упругое последействие

На рис. 7 представлены зависимости усилия штамповки от температуры нагрева заготовки. При комнатной температуре происходит разрушение заго-товки при деформации, а при температурах выше 370°С имеет место штамповка без нарушения сплош-ности металла. По мере увеличения температуры снижается требуемая нагрузка при штамповке. При Т = 880°С нагрузка снизилась с 6,5 (при комнатной температуре) до 1,8 кН.

7 6

Я *

« 5

к и и о с

ей н

13

те к ч к

о

, Разрушения

I_I

0 200 400 600 800 1000

Температура нагрева Т, °С

Рис. 7. Зависимость усилия штамповки от температуры нагрева при Г = 3 с

Зависимости угла пружинения от температуры нагрева и радиуса изгиба металла при штамповке де-

Горячая штамповка листа из титанового сплава.

Хамедон 3, Мори К., Маено Т., Ямашита Ю.

тали с цилиндрическими элементами представлены на рис. 8. С увеличением температуры нагрева угол пру-жинения и радиус изгиба уменьшаются. Таким образом, горячая листовая штамповка является эффективным способом предотвращения упругого последействия при формоизменении листовой заготовки из титанового сплава.

12.0

— 11.5

— 11.0

— 10.5

200 400 600 Температура нагрева Т,

10.0

1000

возрасла до 370 HV20.

а б

Полученная структура

T= 880°C

T= 1050°C

из (S

я

«

Й СМ

Рис. 10. Микроструктуры формоизменяемого листа при различных температурах нагрева

Таким образом, рациональной является температура нагрева Т = 880°С благодаря небольшому упругому последействию, высокой твердости и отсутствию игольчатого мартенсита.

Рис. 8. Зависимости угла пружинения оттемпературы нагрева и радиуса изгиба металла при штамповке детали с цилиндрическими элементами при Г = 3 с

Зависимости угла пружинения и радиуса изгиба листовой заготовки от времени выдержки в нижней «мертвой» точке при Т = 880°С показаны на рис. 9. При увеличении времени выдержки угол пружинения и радиус изгиба уменьшаются.

400 £ 350

(N

я 300

а 250

i 200

я PC с с

hC Е-

U О

ч а

D

в Е-

h^ ■ _Т 5 785 °с v |

150 100 50

0

A.KKS' T=550°C

с

пггв/'U ■'ЯЧ

Угол пружинения • при штамповке

Контакт с электродом |

10 20 30 40 50

Расстояние от центра X, мм

60

Время выдержки t, я

Рис. 9. Зависимости угла пружинения и радиуса изгиба листовой заготовки от временем выдержки в нижней «мертвой» точке при Т = 880°С

2.3. Микроструктура и твердость, полученные при горячей штамповке детали

Микроструктуры формоизменяемого листа при азличных температурах нагрева показаны на рис. 10. Несмотря на то, что игольчатый мартенсит, имеющий низкую прочность, образуется при нагреве в печи при Т = 1050°С, микроструктура при электроконтактном нагреве при Т = 880°С была аналогична ранее получаемой структуре.

Распределение твердости по Виккерсу в продольном направлении детали при различных температурах нагрева показаны на рис. 11. При температурах 550 и 785°С значения твердости почти совпадают. Когда температуру нагрева увеличили до 880°С, твердость

Рис. 11. Распределениетвердости по Виккерсу в продольном направлении при различных температурах нагрева

3. Электроконтактный нагрев формоизмененных листов

В производственных условиях возможно осуществлять горячую штамповку уже формоизменне-ных листов. Для них распределение плотности тока при нагреве является неоднородным, как показано на рис. 12, а, таким образом, и распределение температуры будет неоднородным. Чтобы получить равномерное распределение температуры, электроды наклоняют, как показано на рис. 12, б.

Для оценки распределения температуры нагрева в формоизмененной заготовке при установленных параллельных и наклонных электродах был применен двойной электротермический анализ электрического нагрева, который проводился с использованием коммерческого программного обеспечения FEM ANSYS. При расчете предполагалось, что контакт между листом и электродом будет однородным. При установке электродов параллельно распределение температуры было неравномерным, как показано на рис. 13, а, а при установке электродов под углом наклона 7° распределение температуры в зоне изгиба почти однородно и составило 825 ± 20°С, как показано на рис. 13, б.

0

Электрод

121.2

Электрод

3

Малая плотность I 'Высокая плотность

О/ О/

3)

ЭлеКТрОДЫ установленные параллельно

О/

S/

Электроды установленные под наклоном

Рис. 12. Распределение плотности тока в формоизмененной заготовке при установке электродов параллельно и под углом наклона 7°

Электрод

Электрод

Зонт

деформации

\500\700

400 600 [°С]

Электроды установленные параллельно

400 600

Электроды установленные под наклоном

[°С]

Рис. 13. Распределение температуры в формоизмененной заготовке толщиной 1,6 мм при силе тока 750 А

Заключение

В работе рассмотрен процесс горячей штамповки листовой заготовки из титанового сплава Ti-6Al-4B с получением деталей с цилиндрическими элементами. Показана эффективность данного процесса за счет использования электроконтактного нагрева, позволяющего сократить время нагрева металла перед штамповкой.

В результате снижаются упругое последействие в штампованной детали и степень окисления ее поверхности. Успешная формовка наблюдалась при температурах свыше 370°С, а при температуре нагрева 880°С наблюдалось снижение усилия штамповки с 6,5 кН при комнатной температуре до 1,8 кН. При нагреве предварительно деформированной листовой заготовки с установкой электродов под углом 7° к нагреваемой заготовке наблюдалось равномерное распределение температур по сечению профиля, которое составило 825 ± 20°С.

Список литературы

1. Mori K., Maki S., Tanaka Y. Warm and hot stamping of ultra-high tensile strength steel sheets using resistance heating, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 54-1 (2005), 209-212.

2. Mori K., Okuda Y. Tailor die quenching in hot stamping for producing ultra-high strength steel formed parts having strength distribution, Annals of the CIRP - Manufacturing Technology, 59-1 (2010), 291-294.

3. Mori K., Maeno T., Fukui Y. Spline forming of ultra-high strength gear drum using resistance heating of side wall of cup, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 60-1, (2011), 299-302.

4. Mori K., Maeno T., Fuzisaka S. Punching of ultra-high strength steel sheets using local resistance heating of shearing zone, Journal of Materials Processing Technology, 212-2 (2012), 534-540.

5. Ozturk F., Ece R.E., Polat N., Koksal A. Assessment of electrical resistance heating for hot formability of Ti-6Al-4V alloy sheet, Key Engineering Materials, 473 (2011), 130-136.

Сведения об авторах

Хамедон Замзури - Технологический Университет Тойохаши, г.Тойохаси, Япония.

Мори Кен-Ихиро - профессор Технологического университета, г.Тойохаси, Япония. E-mail: [email protected]. Маено Томоеши - Технологический Университет Тойохаши, г.Тойохаси, Япония. Ямашита Юя - Технологический Университет Тойохаши, г.Тойохаси, Япония.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

HOT STAMPING OF TITANIUM ALLOY SHEET USING RESISTANCE HEATING

Hamedon Zamzuri - Mechanical Engineering Department, Toyohashi University of Technology, Aichi, Japan. Mori Ken-ichiro - Professor, Mechanical Engineering Department, Toyohashi University of Technology, Aichi, Japan. E-mail: [email protected].

Maeno Tomoyoshi - Mechanical Engineering Department, Toyohashi University of Technology, Aichi, Japan. YamashitaYuya - Mechanical Engineering Department, Toyohashi University of Technology, Aichi, Japan.

Abstract. A hot stamping process of a titanium alloy sheet using resistance heating was developed to improve the productivity. As the heating temperature increased, the bending load decreased and the titanium alloy sheet was successfully formed at elevated temperatures. As the heating temperature increased, the springback of the bent sheet decreased. Although needle-shaped martensite appeared at a heating temperature of 1050°C, the microstructure at a heating

temperature of 880°C was similar to the as-received sheet. When the heating temperature increased to 880°C, the hardness increased to 370 HV20. It was found that the hot hat-shaped bending of the titanium alloy sheet using the resistance heating was effective in improving the productivity.

Keywords: titanium alloy sheet, Ti-6Al-4V, hot stamping, resistance heating, springback.