Горячее формообразование оребрений на плитах из высокопрочных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.983; 539.374

B.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ),

А.А. Перепелкин, аспирант, (4872) 35-14-82, [email protected]. (Россия, Тула, ТулГУ),

C.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected], (Россия, Тула, ТулГУ)

ГОРЯЧЕЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОРЕБРЕНИЙ НА ПЛИТАХ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предложены расчётные соотношения для верхнеграничных оценок сил и повреждаемости материала при горячем выдавливании оребрений на загооювках. Приведены технологические режимы штамповки и диффузионной сварки ооебренных панелей.

Ключевые слова: выдавливание, прессование, оребренные панели, сила, повреждаемость, технолоичесте режимы, поле скоростей.

В авиационно-космических летательных аппаратах применяют оребренные конструкции: крылья, корпуса отсеков, перегородки и др. Оребрения повышают жесткость изделий, что во многом решает задачи их прочности. Технология производства таких узлов связана с механическим резанием, что приводит к большему расход материалов и высокой трудоемкости производства. Более эффективную технологию можно организовать на бае обработки давлением путем горячего выдавливания оребрений или диффузионной сварки давлением элементов панелей - ребер и основания. Высокопрочные титановые, алюминиевые и алюминиево-литиевые сплавы для этих панелей требуют при таком варианте технологии нагрева в оснастке, т.е. изотермического режима штамповки. В процессе деформирования существенна зависимость давления, степени формоизменения, качества изделий от скорости операции. Обрабатываемый материал проявляет свойства ползучести, и в общем случае наряду с пластическими развиваются вязкие деформации. В раде вариантов технологии пластические деформации и связанное с ними упрочнение могут вообще отсутствовать, а деформироване осуществляется в условиях ползучести материала под нагрузкой.

При проектировании технологии такие параметры, как деформации, сипы, скорости, являются предметом расчета. Эффективны методы расчета на основе верхнеграничной экстремальной теоремы пластичности на бае разрывных полей скоростей перемещений с привлечением кинетики повреждаемости деформируемого материла [1 ]. В этой связи рассмотрим процесс горяего формообразования оребрений на плите. Схема деформаций - плоская. Условие текучести примем в форме Мизеса.

Схема операции выдавливания, кинематически возможное разрывное поле скоростей и его годограф приведет! на рис. 1. Поле состоит из

жестких блоков 1, 2, 3, 4. Оснастка обозначена как блок 0. Блоки разделены линиями разрыва скоростей и перемещаются со скоростями, указанными на рисунке. Деформации имеют место только на линиях разрыва, в том числе на границах трения. Поле кинематически допустимо при условии:

a _ sin a sin(P + у) b sin ysin(P-a)’

a b от,

где a = arctg —, y = arctg-------, a, p, у, a, b, h - тригонометри-

h h - (a + b)ctgP

ческие и геометрические параметры поля скоростей.

б

а

Рис. 1. Схема выдавливания, поле скоростей (а) и годограф (б)

Из данного условия определяется угол Р и, следовательно, кинематически возможное поле скоростей. Установим кинематические соотношения для этого поля. Разрывы касательных к линиям разрыва скоростей запишем, исходя из годографа, в виде

V V V0sin p k V . V a Vosin p V

Vp= V12 = ~= k12V0; V23= T . ..n = k 23 V0.

V24 V1

sin(p - a) Vo sin a

b sin(p + у)

■k 24 Vo; V30 = Vk= Vo + V2

v

V0 = k30V0,

/

(1)

б1п(Р - а)

где Го - скорость перемещения штампа.

Эквивалентные деформации и скорости деформаций на линиях разрыва будем определять как

2 Гр

(^ );

и

2 Vpt

(se ) p = (^e ) pt= ^3 ~

(2)

(3)

Здесь

lp = l12

a

l

b

23

l

a +b

24

(4)

p разрывы

sin a sin у sin p

длины линий разрыва скоростей; t - время деформирования; V

касательных скоростей в соответствии с выражениями (1).

Технологические данные показывают [2], что горячее прессование панелей реализуется при медленном деформировании в условиях нелинейно-вязкого течения материала. В этой связи для расчета эквивалентных напряжений воспользуемся уравнением состояния деформируемого материала в виде функции

= Ау£,

n

(5)

где Ъ)е - эквивалентные скорости деформаций на линиях разрыва скоростей в соответствии с выражением (2); у - сплошность деформируемого материма заготовки; А, п - константы.

Уравнение (5) выражает техническую теорию ползучести [1] с учетом сплошности материаа при деформировании. Условие у = 1 соответствует отсутствию нарушения сплошности, а у = 0 - полна ее потеря с возможным разрушением заготовки. Промежуточные значения у определяют фактическое состояние сплошности, ее влияние на напряжения и, следовательно, на достигаемые степени формообраовани. С помощью уравнения (5), учитыва выражение (2), получим эквиваентные напряжения на линиях рарыва в виде

(сте) p = Ay

f гг \П 2 Vp

V3 l

(6)

p )

На контактной границе трения эквивалентные деформации и скорости деформаций определим осредненно:

(se)k = &e ) k

2 h0

-Ни ;

л/3 h

_(se ) k t '

(7)

(8)

Касательные напряжения трения, учитывая отношения (5) и (6), запишем в виде

^тр ^(°е )k M-Ay30

2

7 \n h0

^ln-0-tV3 h

(9)

где ц - коэффициент трения.

Верхнеграничной оценке давления штамповки соответствует энергетическое неравенство

q <■

1

aVa

1

(10)

Здесь все входящие величины определены соотношениями (1)-(9). Подстановка их в неравенство (10) приводит к следующей зависимости для давления операции:

Я

<■

А Г 2 У+п Г п

2 а

V V3 у

V* /

(Л)

п

¥12 кЦП

а

\1-п

+ ¥23к 2+"

+

Мт уУ

+ ¥24 4+П

+

цл/Зузо£ зо/^

И

1-п

(11)

где Ио = И + АИ - начальна толщина, заготовки; И - конечна ее толщина; ЛИ - ход штампа; /к - дина границы трения; ¥12, ¥23, ¥24, ¥зо -сплошности материала заготовки на соответствующих линиях разрыва скоростей и на границе трения.

Давление штамповки, как это следует из соотношения (11), зависит от сплошности материала заготовки и времени (длительности) операции. Степень формоизменения при этом задана.

Произведем оценку критических режимов штамповки в зависимости от состояния сплошности деформируемого материла. Она влияет на степень формообразования и удельные силы операции. В зависимости от материалов и температуры деформирования сплошность может быть определена в соответствии с энергетической или деформационной теориями прочности [1, 3]. По первой из них используется уравнение

^¥ = ~ °е ^, (12)

А*

где 1 > ¥ > о - сплошность материала в соответствии с временем 0 <t < ;

1кр - криичекое время полной потери сплошности; ае, Ъ,е - эквивалентные напряжение и скорость деформации в расчетном месте заготовки; А* -

константа, характеризующая удельную работу напряжений в этом месте. Подстановка полученных выше соотношений (2), (6) и (8), (9) в уравнение (12) приводит в результате интегрирования к зависимостям:

(13)

( \ 1+п

А 2 к А , ——

¥ л.р = ехр пА* Тз/р 1

V р у

сплошность на линих разрыва скоростей;

¥ тр. = ехр

А

пА*

,1+п

2 , И 1п —

V

И

,—п

о У

(14)

сплошность на контактной границе трения.

Здесь к, /р - величины, принимаемые по выражениям (1) и (4) в соответствии с рассматриваемой линией разрыва.

По деформационной теори прочности сплошность материала определяется зависимостью

¥ = 1 — —)— .Не , (15)

(£е)пр

где £е - эквивалентная деформаци в рассматриаемом месте заготовки; (ее)пр - предельна эквивалентна деформация.

В этой связи на линиях разрыва и на границе трения имеем:

¥ 1 2кЛ (ле^

¥ё. д. = 1 ГГ ; (16)

л13/р (£е )/д

2И

¥тр. _ 1 ТГ “ 1п“ . (17)

^3(£е )пр Ио

В точках пересечения линий разрыва (в точках А, В, С на рис. 1, а) сплошность падает наибольшим образом. Эти точки - места вероятного разрушения или образовани утяжин. По условию прочности здесь должно быть:

юА =(1 — ¥12) +(1 — ¥23) +(1 — ¥зо) <1;'

юВ = (1 -¥23) +(1 -¥24) <; > (18)

юС = (1 -¥12) +(1 —¥24) <1, где ю - повреждаемость.

Входящие величины сплошностей рассчитываются по соотношениям (13), (14) или (16). (17).

Из приведенных выше зависимостей следует, что в первом случае сплошность определяется степенью формообразования и временем, а во втором она от времени не зависит. Если в выражениях (18) принять ю = 1, то можно рассчитать критические режимы операции.

Расчеты выполнены для прессовани оребренных панелей из алюминиевого сплава АМгб при 45о и 42о °С. Размеры панели: а = 25 мм, Ь=1о мм, И=30 мм; /к =/тр= 15 мм, ЛИ = 5 мм. Принят коэффициент трени ц = о,15 . Константы уравнений: А = 175 МПа-/ сп, п = о,27, А*=35 МПа -при 45оо и А=177 МПа /-сп, п=о,25, (£е )пр = о,8 - при 42о°. На рис. 2

приедены графики повреждаемости материла и дав лени операции в функции конечного времени. Повреждаемость рассчитана в одной из наиболее опасных точек - т. А. Из расчетов еле дет, что при 45о ° повреждаемость материала уменьшается при увеличении длительности операции, т.е. сплошность сохраняется в большей мере при увеличении времени дефор-

мирования. Температурный режим штамповки 420° приводит к большей потере сплошности, причем она не меняется по величине при изменении времени операции. Прессование при этой температуре может сопровождаться разрушением материала в т. А, т.к. сплошность его исчерпывается независимо от длительности деформирования. Уменьшить вероятность разрушения возможно понижением степени формообразования. Давление прессования уменьшается при увеличении длительности операции в обоих температурных режимах. Развитие несплошности (повреждаемости) материала способствует снижению давления, но ее влияние на величину давления снижается по мере увеличения времени. При этом интенсивно рави-вается ползучесть.

МПа

ч 100

50 „„.

10 15 мин

-----------

І

Рис. 2. Графики давления и повреждаемости материала АМг6:

1, 2- давление при температура 450 и 420 °;

3, 4 - повреждаемость при этих температура соответственно

Отработан так же процесс сварки давлением в вакууме оребренных панелей. Схема этой операции показана на рис. 3. Плоские заготовки 1 (ребра панели) собирают в пакет и зажимают механически болтовым соединением в оправках 2. Собранный пакет устанавливают на заготовке 3 и помещают в оснастку на плиту 4 (рис. 3, а). Оснастку вакуумируют, рабочие части оснастки с заготовками нагревают до температуры сварки. Нагреватели встроены в блок штампа, штамп теплоизолирован. Нагрев - секционный. При перемещении заготовок (ребер) 1 совместно с оправками 2 за счет хода пресса производят осадку выступающих частей ребер (рис. 3, б). При выдержке под давлением происходят сварка ребер 1 с листом 3 и образование неразъемного соединения, т.е. получение изделия 5. Верхнеграничный расчет давления осадки - сварки давлением осуществляется в соответствии с жесткоблочным полем скоростей на рис. 3, б. Поле допустимо при параметрах а, Р, И, определяемых по выражениям:

а

Б1П а

а . л — Г Б1П —

Ь сов(а + р)’ Ь 4

V

а ^ .л

—с!еа -Бт —

Ь4

л

, И • ctgP = а +Ь б1п —.

а

б

Рис. 3. Схема осадки-сварки с разрывным полем скоростей: а - исходное положение; б - конечное положение

В соответствии с уравнением состояния (5) и энергетическим неравенством (10) это поле приводит к зависимости:

\1 + П

^ А 2 ЛИ СОБр И Г ЛИ

2а

,

с

Г

Б1П а

V

СОБ

(а+р) У

соб( г р) И

V

\1+п/

У

\1-п

соб а

чБ1П ру

(19)

Зависимость (19) устанавливает связь между давлением, временем выдержки и величиной осадки ребер заготовок. Технологические режимы процесса приведены в таблице.

Технологические режимы

Материал Температура, °С Давление, МПа Деформация в зоне сварки, % Время, мин Вакуум, мм рт. ст.

АМг6 475 - 500 8-10 До 20 45 0,5 -10“4

Н Н ВВ 875 -900 3-5 До 10 30 10 -или среда аргона

По данным механических испытаний сварных изделий прочность соединений соответствует прочности исходных материалов. Металлография показала образование общих зон в местах сварки и отсутствие роста зерен.

На рис. 4 показана схема установки для опытно-промышленного производства оребренных конструкций. В её состав входят: 1 - гидропресс мод. ДБ 2432 силой 1,6 МН; 2 - оснастка; 3 - нагреватели; 4 - вакуумные насосы; 5 - газобаллон с аргоном; 6 - трубопроводы газа; 7, 8 - пульты контроля давления и температуры; 9 - трубопроводы вакуумной системы. Данная установка используется для изотермического прессования и сварки давлением в вакууме (алюминиевые сплавы) и в среде аргона (титановые сплавы).

Рис. 4. Схема установки для формообразования и сварки давлением панелей

Образцы изделий размерами 300 - 500 мм представлены на рис. 5.

а

б

Рис. 5. Оребренные панели: а - выдавливание (сплавы МА8, 1420); б - сварка давлением (сплав ВТ14)

Выводы

1. Вариантом изготовления ореберенных конструкций является технология изотермической штамповки при малых скоростях или выдержке под давлением. При этом релизуется режим ползучести, сохраняется сплошность материла заготовки и уменьшается удельна сила операции.

2. Для производства крутогабаритных изделий, требующих мощного прессового оборудования, рациошльны процессы сварки давлением с локаьной деформацией заготовок в местах соединений.

Библиографический список

1. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. 774 с.

2. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материаов / С.П. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение - 1, ТулГУ, 2004. 407 с.

3. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993. 240 с.

Chudin V.N, Perepelkin A.A., Yakovlev S.S.

The hot forming of the ribbing on the plates of high-strength materials

The design ratios for upper limit estimationb of the forces and material’s dama-geability in the process of the hot extrusion of the ribbing on the plates are given. The process conditions of the forming and diffused welding of ribbed panels are estimated.

Получено 05.08.09