CC BY
51
УДК 539.374; 621.983
С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ),
Е.В. Леонова, асп., (4872) 35-14-82,
[email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ПНЕВМОФОРМОВКА ВАФЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ И ТРУБЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Приведены типовые технологические процессы изотермической пневмоформовки с последующей сваркой давлением газа вафельных и трубчатых конструкций из высокопрочных листовых материалов.
Ключевые слова: высокопрочный материал, конструкция, вафельный тип, деформирование, пневмоформовка, сварка, давление, температура, толщина, лист, заготовка.
Технологические процессы производства деталей и узлов ракетнокосмических летательных аппаратов имеют основную задачу - обеспечение проектных тактико-технических характеристик изделий при оптимальных сроках освоения серийного производства. Эта задача ставится на стадии проектно-конструкторских разработок и опытного изготовления. В этой связи для создания новых летательных аппаратов необходимы конструкторско-технологические решения.
Взаимовлияние конструкции и технологии позволяет совершенствовать проектно-конструкторские разработки и методы технологии оптимальным образом по качеству изделий, трудоемкости и в конечном итоге по стоимости и срокам освоения производства. Реализуя задачи проектировщиков изделий, технологии становятся наукоемкими, так как способы обработки, на которых они построены, требуют теоретических методов расчета режимов и их отработки. Обеспечение необходимых уровней прочности, точности геометрических форм изделий из высокопрочных материалов при условии преемственности и воспроизводимости является важной задачей технологов.
Панели вафельного типа имеют широкое применение, так как из них образуют корпуса топливных отсеков, что составляет 50...70 % общей металлоемкости изделия. Охлаждаемые отсеки, требующие поддержания необходимых температурных условий, имеют корпусные обшивки со встроенными топливными трубами для хладоагента. Штатные конструкции и техпроцессы предусматривают станочное фрезерование, вварку или пайку системы труб и арматуры. Точность узлов при этом недостаточна,
196
требуется слесарная пригонка, трудоемкость - значительна.
Новые конструкции корпусов вафельного типа и конструкции с элементами систем терморегулирования (рис. 1) предполагают их исполнение в двухслойном варианте - формообразованные листы с жестким (неподвижным) соединением.
а б
Рис. 1. Панели вафельные (а), панели охлаждаемые трубчатые (б)
Такие конструкции имеют предпочтение перед традиционными в части обеспечения необходимой удельной прочности. Изготавливают их преимущественно из высокопрочных алюминиевых сплавов типа 1911, 1201 -термоупрочняемых, в связи с чем, предлагаемые процессы формообразования рассматриваются применительно к этим материалам. Базовыми здесь являются операции формообразования и соединения полуфабрикатов на стадии изготовления.
Типовой вариант процесса приведен в таблице и на рис. 2.
Номер
позиции
Эскиз операции
Вафельная панель
Трубчатая панель
Рис. 2. Эскизы операций при изготовлении вафельных и трубчатых панелей
Типовой технологический процесс (маршрут) формообразования вафельных и трубчатых конструкций
№ п/п Операция Технологические режимы
Температура, 0 С Давление, МПа Время, мин
1 Подготовка исходных заготовок (резка, обезжиривание, травление, промывка, сушка) По отдельным технологическим процессам
2 Ионное травление поверхностей листовых заготовок в аргоне и вакуумное напыление меди (алюминий) То же
3 Установка пакета заготовок (лист - каркас - лист) в штамп и пресс-вакуумную камеру -//-
4 Нагрев заготовок в вакууме 530 133,310-3 Па До 200
66,710-4 Па
5 Смыкание штампа, подача аргона, формообразование с закладным элементом 530 ,0 ,7. 0, 20...30...
6 Диффузионная сварка газом 530 2,5...3 30
7 Охлаждение штампа в проточном аргоне при выключенной вакуумной системе До 300 До 200
8 Раскрытие штампа и съем изделия При 50...70 До 200
9 Обрезка по контуру По отдельным технологическим процессам
10 Подготовка к последующим операциям То же
Операция формообразования газом горячего листового материала протекает в условиях вязкого течения материала. В этом случае существенное влияние на устойчивое протекание процесса оказывает скорость роста давления. Свободная формовка переходит в стадию заполнения угловых элементов и начало диффузионного соединения. Соединение происходит в твердой фазе, что обеспечивает прочность на уровне основного металла соединяемых элементов, коррозионную стойкость и герметичность. Это связано с тем, что:
• не происходит плавления и роста зерен в зоне соединения, как это имеет место при сварке плавлением;
• отсутствует низкопрочная зона припоя, обязательная при пайке;
• нет нарушений сплошности металла и концентрации напряжений, что неизбежно при клепке.
Состояние поверхностей, температура, контактное давление, и следовательно, деформация, время выдержки под давлением являются основными технологическими параметрами операции.
Температура устанавливается в пределах 0,5...0,7 температуры плавления соединяемых металлов. Ее повышение ускоряет процессы диффузии атомов через поверхность контакта, позволяет снизить давление и деформации, но может приводить к росту зерен. Давление обеспечивает плотный контакт свариваемых элементов, заполняемость пустот, а также влияет на процессы диффузии и рекристаллизации. В зонах контакта происходит перемещение материала, что приводит к разрыву пленки окислов. Время операции должно быть достаточным для протекания процессов диффузии и рекристаллизации. При изготовлении многоэлементных конструкций сложной геометрической формы невозможно в силу ряда причин создания достаточных контактных деформаций. Здесь удаление или разрушение пленки окислов достигается иным путем.
Наибольшие технологические проблемы возникают при соединении элементов конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов. Задача сводится к удалению или, по крайней мере, разрушению пленки и обеспечению этим контакта основных металлов, что требует проведения технологического процесса в вакууме. При этом необходимо после удаления окисла закрывать поверхности деталей вакуумным напылением меди толщиной
0,5...0,7 мкм. Эти операции производят в одной камере за одну установку заготовок при переключении режимов работы по схеме: вакуумирование -напуск аргона - ионное травление - вакуумирование - напыление меди.
Металлографический анализ подтверждает образование общих зерен на поверхностях соединений, а механические испытания показали прочность их, близкую к прочности исходного материала. Термообработка (закалка и старение) конструкции обеспечивает предел прочности материала до 4х10 МПа.
Таким образом, технология формообразования состоит из следующих основных операций: травление окисной пленки и вакуумное напыление меди, сборка пакета из листов (заполнитель и обшивка) и закладных элементов между ними (решетчатый каркас из пластин 0,5... 1,5 мм для вафельных панелей или трубки для охлаждаемых панелей); установка пакета в штамп и в вакуумную пресс-камеру, силовое смыкание оснастки давлением пресса, нагрев до температуры обработки с вакуумированием зазора между листами; формообразование полостей (ячеек) давлением газа, подаваемого на один лист (заполнитель) с одновременным вакуумированием
199
полостей между заполнителем и обшивкой; калибровка ячеек и их диффузионная сварка давлением газа с обшивкой и закладными элементами при выдержке по времени; охлаждение под давлением газа; сброс давления и окончательное охлаждение при раскрытии штампа; извлечение изделия.
На рис. 3 представлен типовой график технологических давлений газа при изотермической пневмоформовке с последующей сваркой давлением газа для данных процессов.
са
И
м
о
Е
а.
о
е
Ч N Ч Ч
\
Ч ч У ч / ч / ч / Сварка
/Формо вка\ ч / ч /
ч/
«
и
&
то
Ш
и
1,5
20
40
60
1;, мин
Рис. 3. Типовой график зависимости давления газа от времени деформирования при формовке и диффузионной сварке
Опытно-промышленные образцы изделий изготовлены из алюминиевых сплавов АМг6, 1911 и 1971. Габаритные размеры - до 500х500 мм, строительная высота 15...20 мм, толщина листа-заполнителя - 0,5... 1 мм, листа-обшивки - 1...2 мм. Промышленные образцы изделий показаны на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Промышленные образцы вафельных панелей (сплавы 1971, 1911)
Рис. 5. Элементы охлаждаемых панелей из алюминиевых сплавов 1971,
1511 с трубкой из сплава АМг6
Оценка эффективности конструкций по расчетам на прочность и по результатам испытаний показала, что их удельная прочность увеличивается на 20 % по сравнению со штатными. При этом процессы изготовления медленным горячим деформированием с термофиксацией значительно увеличивает точность, что необходимо для последующей аргоно-дуговой или электронно-лучевой сварки корпусов. Трудозатраты производства снижаются в 1,3... 1,5 раза.
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.П. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427с.
2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
S.N. Larin, S.S. Yakovlev, V.N. Chudin, E.V. Leonova
ISOTHERMAL PNEVMOFORMOVKA OF WAFER PANELS AND TUBULAR DESIGNS
Standard technological processes of an isothermal pnevmoformovka with the subsequent welding by pressure of gas of wafer and tubular designs from high-strength sheet materials are given.
Key words: high-strength material, design, wafer type, deformation,
pnevmoformovka, welding, pressure, temperature, thickness, leaf, preparation
Получено 20.01.12
