CC BY
292
5. Листовая штамповка: Расчет технологических параметров: справочник / В .И. Ершов [и др.]. М.: Изд-во МАИ, 1999. 516 с.
6. Шофман Л. А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1964. 365 с.
Вилимок Ярослав Александрович, асп, vilimokya@yahoo. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
IMPROVEMENT OF STAMPING EQUIPMENT FOR PRODUCTION FIGURINE DETAILS
FROM THIN SHEET MA TERIALS
Y.A. Vilimok
Discusses the design of the stamp for progressive die stamping of complex-shaped parts and how it works.
Key words: figurine detail, serial drawing, stamp, instrumental pack.
Vilimok Yaroslav Aleksandrovich, postgraduate, vilimokya@yahoo.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ И ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА ЭЛЕМЕНТОВ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.А. Перепелкин, И.И. Матасов, Г.А. Нуждин
Изложен подход для теоретического анализа процессов изотермического деформирования и диффузионной сварки элементов многослойных листовых конструкций. Приведены типовые компоновки оборудования и технологической оснастки для изотермического деформирования и диффузионной сварки элементов многослойных листовых конструкций из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
Ключевые слова: деформирование, температура, давление, сварка, технология, режимы, термофиксация, деталь, высокопрочные материал, пресс.
Корпусные оболочки летательных аппаратов (блоки, отсеки, крылья, обтекатели) являются тяжелонагруженными конструкциями и определяют во многом эксплуатационные характеристики изделий. Последние должны быть обеспечены точностью геометрических форм; необходимыми уровнями прочности, герметичности и коррозионной стойкости, на что значительно влияют зоны соединения элементов и узлов изделий [1 - 5].
Титановые и высокопрочные алюминиевые сплавы типа ВТ6С ВТ14, ВТ20, ВТ23, АМг6, 1911, 1201 и др., из которых эти конструкции изготавливают, трудоемки в обработке. Традиционные методы изготовления узлов космических летательных аппаратов из этих материалов, связанные со штамповкой, резанием, сваркой, пайкой, не всегда обеспечивают требования к изделиям и ограничивают технические возможности изделий. Поэтому перспективны новые технологические конструкции и соответствующие методы обработки. Корпусные оболочки рациональны в виде пустотелых (ячеистых) конструкций, скомпонованных из ряда входящих элементов, формообразование и соединение которых выполняют при совместной обработке. Конструкции такого типа значительно сокращают полетную массу. Технология совместной обработки сочетает формообразование и диффузионную сварку давлением, что обеспечивает необходимый уровень качества изготавливаемых аппаратов [1 - 5]. Это устраняет недостатки сварки плавлением и ее негативное влияние на качество изделий (остаточные напряжения, рост зерен, снижение прочности в зоне соединения и др.).
Для образования соединения необходимо обеспечить температурные условия, безокислительную среду, требуемые давления, деформацию и время. Температура рекристаллизации и диффузии зерен составляет 0,5...0,7 температуры плавления соединяемых материалов: для титановых
сплавов ВТ6С, ВТ14, ВТ20 - 900.1000 0 С, для алюминиевых АМг6, 1971,
1911 - 520.530 0 С. Давление вызывает развитие деформации в контактной зоне соединения, и вследствие перемещения материала заполняются пустоты, наблюдаются разрывы оксидной пленки на поверхностях контакта.
Удельное давление и сплошность. В процессе осадки деформируемый материал проявляет вязкость, и напряжения зависят как от накапливаемой деформации, так и от скорости ее роста. Вязкость существенно влияет на силовой режим обработки, развитие локальной несплошности материала и, следовательно, на качество изделий. Решение задачи оценки этих факторов в рамках кинематики течения позволяет назначать режимы операций. Расчетная схема соединения давлением показана на рис. 1.
При решении поставленной задачи принято разрывное поле скоростей, состоящее из жестких и деформируемых блоков, разделенных линиями разрыва скоростей. Линии разрыва подлежат определению. Задача решается вариационным методом при кинематически возможном поле скоростей перемещений в условиях плоской деформации и связана с минимизацией функционала мощности варьированием по скоростям [1, 6]:
Ы(у) = -дА1 V0 + 5
Яа^Б + |<5ерУрЯр Б ^3 1Р
= О
где первое слагаемое - мощность внешних сил; второе - мощности в областях течения и на линиях разрыва скоростей; д - внешнее давление; ^О - скорость перемещения инструмента; Б - поверхность очага деформаций; ае, а ер - эквивалентные напряжения в очаге деформаций и на линиях
разрыва скоростей; Хе - эквивалентная скорость деформаций в очаге деформации; 1р - длина линий разрыва; Ур - касательная компонента скоростей на линиях разрыва; 5 - толщина материала.
а
б
Рис. 1. Схема осадки, разрывное поле скоростей (а) и годограф скоростей (б): 1, 4 - продольные заготовки; 2 - поперечная заготовка; 3 - линии соединений; 5 - нажимные плиты
Принимается, что механическому состоянию материала соответствует уравнение вязкопластического течения
ае = ^е Хе, где к, ее, п - константы материала.
Решение задачи включает нахождение уравнения линии разрыва и определение давления. Кроме того, можно оценить форму образующейся боковой линии заготовки. Получено более простое решение при жесткоб-лочном поле скоростей с прямыми линиями разрыва на основе энергетического неравенства. При этом блоки перемещаются с постоянными скоростями. Деформаций в блоках нет, они имеются только на линиях разрыва. Процесс осадки и соединения может сопровождаться потерей сплошности деформируемого материала, что влияет на уровень прочности конструкции в целом. Точка О пересечения линий разрыва является опасной. Получены соотношение для расчета сплошности материала в данной точке и уравнение для определения критического времени деформирования [1, 6].
Расчетная схема соединения по узким контактным зонам листовых заготовок изображена на рис. 2.
а б
Рис. 2. Разрывное поле скоростей (а) и годограф (б) для соединения листовых материалов
Процесс проводится при высоких гомологических температурах и протекает в условиях вязкого деформирования. Возможно нарушение сплошности материала заготовок в зоне деформации. Определены верхнеграничная оценка удельной силы давления, текущие значения сплошности материала в опасной точке М и время разрушения.
На основе приведенных выше соотношений и уравнений разработаны пакеты прикладных программ для ЭВМ, позволяющие по известной величине степени деформации рассчитать удельное давление, силу процесса и сплошность материала в опасных точках очага пластической деформации.
Технологическая схема формообразования и диффузионной сварки вафельных конструкций приведены на рис. 3.
Сварка деталей из титановых сплавов сводится к такой последовательности операций:
подготовка исходных заготовок (очистка, обезжиривание, промывка, сушка);
нанесение антидиффузионного покрытия (механическое или гальваническое) на места, не подлежащие соединению;
сборка конструкции, установка в вакуумную пресс-камеру;
нагрев до 900... 1000 0 С с вакуумированием до 0,13... 1,3 Па; приложение контактного давления с выдержкой до 60 мин (сварка); охлаждение в вакууме под нагрузкой и удаление готовой конструкции.
Процесс диффузионной сварки деталей из алюминиевых сплавов состоит из следующих операций:
подготовка исходных заготовок (обезжиривание и химическое травление, промывка, сушка);
ионное травление в аргоне при остаточном давлении 1,3 Па; вакуумное напыление меди 0,5... 0,7 мкм;
сборка элементов конструкции, установка в вакуумную пресс-камеру;
вакуумирование до 0,0065 Па с нагревом до 510.530 0 С; выдержка под технологическим давлением до 30 мин (сварка); охлаждение в вакууме под нагрузкой с постепенным снятием давления и удаление готовой конструкции.
Оборудование. Так как операции проводятся в вакууме или среде нейтрального газа при достаточно высоких температурах нагрева и регламентированных скоростях деформирования, в состав оборудования входят следующие основные узлы и системы: вакуумная камера; силовой гидравлический узел; система нагрева;
система вакуумирования объема камеры; система подачи газа в оснастку;
пульты контроля и управления технологическими режимами. Оборудование имеет три возможных варианта исполнения в зависимости от состава и сложности техпроцессов:
на базе штатного гидравлического пресса, стационарный блок-штамп; специальная установка вакуумно-прессовая.
На рис. 4 показаны установка и схема ее компоновки на базе стандартного двухстоечного гидропресса ДБ2432 силой 1,6 МН. Установка предназначена для газоформовки и диффузионной сварки в вакууме опыт-
76
ных образцов изделий размерами до 300 мм в плане. Она обеспечивает температуру нагрева оснастки от встроенных нихромовых нагревателей до
900 ° С, степень разрежения объема штампа 0,027 Па, давление газа 2 МПа от стандартного баллона с редуктором давления. Пресс обеспечивает выдержку во времени под давлением.
Рис. 4. Прессовая установка для газоформовки и диффузионной сварки
Для производства опытно-промышленных узлов изделий используется пресс-вакуумная установка, которая представлена на рис. 5. Установка и состоит из вакуумной камеры диаметром 2500 мм и высотой 4000 мм и полукамер со встроенными внутри нихромовыми спиральными нагревателями. Нагреватели отделены от двойной водоохлаждаемой стенки камеры батареей экранов.
На камере установлен силовой гидравлический узел для подъема верхней полукамеры, оснастки, создания противодавления технологическим силам. Верхняя полукамера установлена на рельсах с приводом от электродвигателя и может горизонтально перемещаться на расстояние до 10 м. Нижняя полукамера соединена трубопроводами с вакуумной системой насосов и с источником газа. Имеются термовводы для термопар. В камере предусмотрена также установка системы ионного травления и напыления. Система контроля и управления смонтирована на отдельной площадке.
Рис. 5. Пресс-вакуумная установка
Технологическая оснастка. Типовая оснастка к пресс-вакуумной установке показана на рис. 6. Штамп состоит из верхней 1 и нижней 8 плит, водоохлаждаемых по каналам 2 плит с возможностью подъема верхней плиты захватом 4. На нижней плите уложена двухслойная газонажимная мембрана 6 из стали 65Г. Мембрана герметично сварена по контуру. Газ в нее подается через штуцер 7. Газ для технологической операции формообразования подают через газоввод 5, который может переключаться на вакуумную систему ячеек 9, после чего начинают операцию сварки. Для этого внутренний объем вакуумируют включением насосной системы.
Подачу газа переключают в мембрану 6, под действием которой вставки 10 поднимаются, и за счет контактного давления осуществляют диффузионную сварку вертикальных стенок ячеек 9 с листом 12. После выдержки под давлением производят охлаждение и отключают подачу газа. Раскрывают вакуумную камеру и штамп, изделие извлекают. При установке собственных нагревательных элементов штамп можно устанавливать в зажимной блок, не используя пресс-вакуумную установку.
Блок стационарный для формообразования и диффузионной сварки давлением газа изображен на рис. 7. Корпус 1, 6 блока из стали 35ХГС закрыт теплоизолятором 5, которым может быть огнеупорная кирпичная смесь или каолиновая вата, и помещен в кожух 4 из листовой стали Ст. 3. Корпус состоит из нижней и верхней подъемных частей. По их торцам проложен резиновый шланговый уплотнитель 3, надуваемый водой. Нагреватели 7 установлены в полостях разъемного штампа 8. Стенки камеры закрыты от зоны интенсивного нагрева набором листовых экранов 2 из стали 12Х18Н10Т. Штамп изготовлен из стали ЭП202. Рабочее пространство блока вакуумируется системой диффузионных насосов.
1 2 3 4
б
Рис. 6. Штамповый блок к пресс-вакуумной установке : а - формообразование; б - диффузионная сварка
В раскрытом состоянии в штамп устанавливают пакет исходных заготовок, блок закрывают и подают воду в шланговый уплотнитель, обеспечивая герметизацию внутреннего объема блока. Включают вакуумные насосы и при степени разряжения 0,027 Па начинают нагрев штампа до необходимой температуры. При разряжении 0,13 Па штамп смыкают и подают в него на заготовки или между ними газ (аргон), увеличивая давление в соответствии с технологическим процессом изготовления изделия 9. Остывание до 200 ° С штампа производят при работающей вакуумной системе, после чего насосы выключают и раскрывают блок.
5 6 7
Рис. 7. Блок к вакуумной установке
Результаты исследований, приведенные в статье, могут быть использованы для разработки технологических процессов формообразования и диффузионной сварки давлением многослойных листовых конструкций из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
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 грантов РФФИ № 14-08-31225 мол_а и № 14-08-00066 а.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
2. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.
3. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, В.И. Трегубов, А.В. Черняев. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
4. Manufacture of thin-wall spherical containers by deformation-welding / A.I. Ananev, Y.A. Sobolev, V.N. Chudin, S.S. Yakovlev // Welding International. 1999. Vol. 13. № 6. Р. 495-497.
5. Чудин В.Н., Соболев Я.А., Яковлев С.С. Технологические направления изотермического деформирования и диффузионной сварки высокопрочных сплавов // Технология машиностроения. 2000. № 2. С. 8-13.
6. Теория обработки металлов давлением / учебник для вузов / В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В.Д. Кухарь; под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
Перепелкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Матасов Игорь Игоревич, асп., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Нуждин Георгий Анатолиевич, специалист, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Москва, Орган по сертификации систем качества «Консерсиум»
ISOTHERMAL DEFORMATION AND DIFFUSION WELDING ELEMENTS SHEET CONSTRUCTION FROM HIGH GRADE MA TERIALS
Perepelkin A.A., Matasov I.I., Nuzhdin G.A.
An approach for the theoretical analysis of the processes of isothermal de forming and diffusion bonding elements multilayer sheet constructions-tions. Shows the typical configuration of the equipment and tooling for the isothermal deformation and diffusion bonding elements multilayer sheet structures of high-strength materials in the mode of short half-creep.
Key words: deformation temperature, pressure, welding technology modes, thermo-fixing, detail, high material press.
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Matasov Igor Igorevich, postgraduate, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Nuzhdin Georgiy Anatolievich, specialist, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Moscow, Organ by quality system certification "Konsersium "
