CC BY
36
УДК 539.374:621.983
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),
А.В. Черняев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.А. Перепелкин, асп., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ И СВАРКА ОРЕБРЕНИЙ ДАВЛЕНИЕМ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Описаны математические модели при горячем выдавливании оребрений на заготовках и сварке оребрений давлением в режиме кратковременной ползучести. Приведены расчётные соотношения для верхнеграничных оценок сил и повреждаемости материала. Представлены технологические режимы штамповки и диффузионной сварки оребренных панелей.
Ключевые слова: выдавливание, прессование, оребренные панели, сила, сварка, повреждаемость, технологические режимы, поле скоростей, время.
В авиационно-космических летательных аппаратах применяют оребренные конструкции: крылья, корпуса отсеков, приборные платформы и др. Оребрения повышают жесткость конструкций, что во многом решает задачи прочности. Технология производства таких узлов связана обычно с механическим резанием или пайкой, что приводит к большому расходу материалов, высокой трудоемкости и не всегда в полной мере способствует повышению качества изделий по прочности и герметичности [1-3].
Более эффективную технологию можно организовать на базе обработки давлением путем выдавливания оребрений или диффузионной сварки давлением элементов панелей - ребер и основания. Высокопрочные титановые, алюминиевые, алюминиево-литиевые и др. 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 длительности операции, т. к. материал проявляет свойства ползучести, и наряду с пластическими, в нем развиваются вязкие деформации. В ряде вариантов технологии пластические деформации и связанное с ними упрочнение могут вообще отсутствовать, а деформирование осуществляется в условиях вязкости (ползучести) материала под нагрузкой.
При проектировании технологии такие параметры, как деформации, силы, скорости, являются предметом расчета. Эффективны методы расчета на основе верхнеграничной экстремальной теоремы пластичности на базе разрывных полей скоростей перемещений с привлечением кинети-
ки повреждаемости деформируемого материала [1]. В этой связи ниже рассматриваются названные процессы.
Выдавливание оребрений. Схема операции показана на рис. 1, здесь же приведено разрывное поле скоростей движения материала заготовки. На рис. обозначено: 1 - подвижная часть штампа; 2 - неподвижная плита штампа; 3 - изделие. Схема деформаций плоская. 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 рис. 1. Деформации имеют место только на линиях разрыва, в том числе на границах трения. Поле кинематически допустимо при условиях
a sin(p - а^т у = b sin а sin(p + у);
ab
а = arctg—; у = arctg-7---г---,
h h-(a + b)ctgp
где а, p, у, a, b, h - параметры поля скоростей.
б
а
Рис. 1. Схема выдавливания: а - поле скоростей; б - годограф
По этим соотношениям определяется геометрия поля скоростей, что входит в последующие расчетные соотношения. Скорости на линиях разрыва с У§ - скорость перемещения штампа:
(ур )=(ц2 )=:^ = '
sin(p - а)
(V23 )
a Vo sin p b sin(p + у) Vo sin а
(V24 )t= Vl sin(p - а)
(V30 )т= Vk = Vo + V2 =
k 23 V0’ k 24V0>
a 1 + -
V
b
V0 = k30V0>
(1)
Эквивалентные скорости деформаций на линиях разрыва будем определять как
(2)
Здесь
1р = 112 = “----------------> 123 = “----------> 124 =—“
^ Б1П а Б1П у Б1П в
а Ь а + ь
(3)
длины линий разрыва скоростей; ? - время деформирования; (у^ )^
разрывы 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 справедливо уравнение состояния деформируемого материала в виде функции
где £,е - эквивалентные скорости деформаций на линиях разрыва скоростей в соответствии с выражением (2); у - сплошность деформируемого материала заготовки; А, п - константы материала.
Условие у = 1 соответствует отсутствию нарушения сплошности, а у = 0 - полная ее потеря с возможным разрушением заготовки. Промежуточные значения у определяют фактическое состояние сплошности, ее влияние на напряжения, достигаемые степени формообразования и конечное качество изделия. С помощью уравнения (4), учитывая выражение (2), запишем эквивалентные напряжения на линиях разрыва в виде
На контактной границе трения эквивалентные скорости деформаций определим осредненно:
Касательные напряжения трения, учитывая уравнение (4) и соотношение (6), представим в виде
где ц - коэффициент трения.
Верхнеграничной оценке давления штамповки соответствует энергетическое неравенство [4]
(4)
(5)
(6)
(7)
Здесь все входящие величины определены соотношениями (1) - (7). Подстановка их в неравенство (8) приводит к следующей зависимости для давления операции:
где И§ = И + АИ - начальная толщина заготовки; И - конечная ее толщина; АИ -ход штампа; I^ - длина границы трения; У12, V23, V24, Узо - сплошности материала заготовки на соответствующих линиях разрыва скоростей и на границе трения. Давление штамповки, как это следует из соотношения (9), зависит от сплошности материала заготовки и времени (длительности) операции. Расчет сплошностей, входящих в зависимость (9), приводится ниже.
Сварка оребрений давлением. Технологическая схема сварки показана на рис. 2. Сборку заготовок в составе верхнего 1 и нижнего 2 листов и пакета, установленных на нижнем листе ребер 3, помещают на плите 4 штампа. Производятся вакуумирование и нагрев до температуры операции. Далее ходом штампа сборку заготовок смыкают и ребра 3 локально осаживаю в местах контакта с листами 1,2 с формированием утолщений 5. При выдержке под давлением здесь образуются общие зерна - зоны сварки 6. Соединение происходит без оплавления, т.е. в твердой фазе. Изделие 7 является единой целиковой конструкцией. При необходимой температуре и степени разрежения расчетными технологическими параметрами являются давление и время (длительность) этих параметров процесса сварки. Расчет этих параметров производится энергетическим методом, как это сделано для процесса выдавливания. Поле скоростей перемещений областей заготовок показано также на рис. 2.
+
(9)
Рис. 2. Схема осадки - сварки оребренной панели
Данное поле реализуется при следующей связи его параметров:
(a + b )sin П sin а = b sin (а + p)cos П - в ; в = arcsin
Отсюда определяются углы а, в и строится поле скоростей. Скорости на линиях разрыва этого поля:
a . п .
—sin —sin a sin b4
ґ „ \ П n
—+ a + p
v 4
(Vp)T = (VG1)
Vg sin p
(V12 )t = V1
1
Vg sin (a + p)
(10)
р/т V 01/т О • ’ V 12/Т 1 ~ •
у т 2б1п а 2б1п а
Эквивалентные скорости деформаций и напряжения на линиях раз рыва определяются выражением
(5е)01 =77^7, (5е) к
(11)
где к
(a + b)t ’ УЪе 12 at ’
(ре )oi = А(Де )oi’ (pe )12 = А(Де )12’
Ah • sin в • sin (a + в) л/3 • sin a
Длины линий разрыва данного поля
a + b a
l01 =^~(------^ > l12 = —^ •
sin (a + в) sin в
По неравенству (8) с учетом записанных выражений (10) - (12) получим
(12)
1+n
n
q < A
1
Ж
Ah v t У
1 n n+1
a + b
sin в
sin a
(sin (a + p))
n-1
+
+
1n
v a у
a
(a + b)
sin (a + p)
sin a
n+1
(sin в)
n-1
(13)
Зависимость (13) устанавливает связь между технологическими параметрами процесса: давлением, осадкой заготовки, временем.
Оценка сплошности материала. В процессе деформирования материал заготовки теряет исходную сплошность и в нем может развиваться процесс накапливания механических повреждений. Это зависит от температурно-скоростных условий обработки, режима деформаций и влияет на качество изделия. При выдавливании реализуют больше деформации, и здесь этот фактор имеет большое значение.
Произведем оценку критических режимов штамповки в зависимости от состояния сплошности деформируемого материала. Сплошность может быть определена в соответствии с энергетической или деформационной теориями прочности [1, 2, 3]. По первой из них используется уравнение
dy = —— ae £, edt,
.A*
где 1 > у > 0 - сплошность материала в соответствии с временем 0 < ґ < ґкр; ґ^р - критическое время полной потери сплошности; ае, £,е - эквивалентные напряжение и скорость деформации в расчетном месте заготовки; А* -
константа, характеризующая удельную работу напряжений в этом месте.
Подстановка полученных выше соотношений (2), (5) - (7) в уравнение (14) при замене Уо = АН / ґ приводит в результате интегрирования к зависимостям
У л. р. = ехР
А
пА*
2кАИ
,1+п
л/3/
,-п
р)
(15)
сплошность на линиях разрыва скоростей;
у тр. ехр
( Л 1+п
А 2.П И ґ- п
пА* я
V 0)
(16)
сплошность на контактной границе трения.
Здесь к, 1р - величины, принимаемые по выражениям (1) и (3) в соответствии с рассматриваемой линией разрыва и границей трения; АН - заданный (конечный) рабочий ход пуансона.
По деформационной теории прочности сплошность материала определяется зависимостью
у = 1 - —)— | е , (17)
(е е ) пр.
где ее - эквивалентная деформация в рассматриваемом месте заготовки; (ее)пр - предельная эквивалентная деформация материала.
В результате на линиях разрыва и на границе трения имеем 2кАН .2
У
л. р.
= 1 -
Л/3/р (є е)
(18) у тр.
=1 -
ру^е/ пр.
л/3(єе)
е пр.
1п А.
Н0
(19)
Расчет величин А*, (ее)пр приведен в работе [2]. Из представленных зависимостей следует, что в первом случае сплошность определяется степенью формообразования и временем, а во втором она от времени не зависит. Входящие величины сплошностей рассчитываются по соотношениям (15), (16) или (18), (19).
Расчетные и технологические данные. Расчеты выполнены для прессования оребренных панелей из алюминиевого сплава АМг6 при 450 и 420 °С. Размеры панели: а = 25 мм, Ь=10 мм, Н=30 мм; 1к = 1тр = 15 мм,
АН = 5мм. Принят коэффициент трения ц = 0,15 . Константы уравнений:
А=175 МПа/сп, п=0,27, А* = 35 МПа при 450 °С и А=177 МПа/сп, п=0,25, (ее)пр =0,8 при 420 °С. В табл. 1 приведены величины давления операции в
функции конечного времени и повреждаемости материала. Повреждаемость рассчитана в одной из наиболее опасных точек - точке А.
Таблица 1
Величины давления операции и повреждаемости материала ___________ в функции конечного времени______________________
Температура, °С Время ґ, мин Давление Ц, МПа Повреждаемость, ю = 1 -у
450/420 10 85/100 >1/0,75
15 63/82 >1/0,6
20 50/75 >1/0,53
При 450 °С повреждаемость материала уменьшается при увеличении длительности операции, т.е. сплошность сохраняется в большей мере при увеличении времени деформирования. Температурный режим штамповки 420 °С может привести к полной потере сплошности независимо от длительности операции. Прессование при этой температуре может сопровождаться разрушением материала. 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; ее влияние на величину давления снижается по мере увеличения времени. При этом интенсивно развивается ползучесть.
Режимы сварки давлением рассчитаны применительно к изготовлению панелей с закрытым (внутренним) оребрением. Материалы: титановый сплав ВТ6С при температуре 900 °С и алюминиевый 1420 при 380 °С
380°С . Константы сплавов соответственно: А=330 МПа/сп; п = 0,377 и
А=410 МПа/сп; п = 0,385. Приняты размеры заготовок: а = 2,5 мм;
Ь = 3 мм; АН = 3,5 мм. Диффузионная сварка алюминиевых сплавов (в вау-уме) требует удаления окисной пленки на поверхностях заготовок и нанесения подслоя меди. Конструкции из титановых сплавов соединяют в вакууме или среде нейтрального газа, растворяющего пленку окисла и препятствующего образованию альфированного слоя. Расчетные и экспериментальные данные приведены в табл. 2.
Снижение давления сварки достигается увеличением времени выдержки под нагрузкой. По данным механических испытаний сварных изделий, прочность соединений соответствует прочности исходных материалов. Металл огра-фия показала образование общих зон в местах сварки и отсутствие роста зерен.
Таблица 2
Расчетные и экспериментальные данные______________
Материал Температура, Время, мин Давление, МПа
°С расчет эксперимент
ВТ6С 900 10 5,7 до 10...15
ВТ14 20 7,3
1420 380 10 15,3 до 15
20 12,5
АМг6 500 20 13,5 до 15
На рис. 3 показана схема установки для опытно-промышленного производства оребренных конструкций.
Рис. 3. Схема установки для формообразования и сварки давлением
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).
В работе [2] приведены технологические результаты по изготовлению оребренные панелей.
Т.о. вариантом изготовления ореберенных конструкций является технология изотермической штамповки при малых скоростях или выдержке под давлением. При этом реализуется режим ползучести, сохраняется сплошность материала заготовки и уменьшается удельная сила операции. Для производства крупногабаритных изделий, требующих мощного прессового оборудования, рациональны процессы сварки давлением с локальной деформацией заготовок в местах соединений. Операции выдавливания и сварки давлением обеспечивают качество изделий по прочности и герметичности, что важно для узлов космических аппаратов.
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и гранту РФФИ № 10-08-97526-р-центр-а.
Список литературы
1. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. 774 с.
2. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
3 Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов /
В.А. Голенков [и др.]; под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
S. Yakovlev, V. Chudin, A. Chernyaev, A. Perepelkin
The finning’s isothermal extrusion and welding in the mode of short durated creeping conditions
The mathematical model of the pieces finning’s isothermal extrusion and welding in them mode of short durated creeping conditions are worked out. The design ratios for upper limit estimations of forces and material’s damageability are provided. The technological modes of deforming and diffusion welding ofpanels finnings are provided.
Keywords: extrusion, pressing, ribbed panels, power, welding, damage, technological regimes, the velocity field, the time.
Получено 12.01.10
УДК 621.983:539.974
В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ),
А.В. Черняев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.А. Пасынков, асп., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРЯМОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Приведена математическая модель осесимметричного горячего выдавливания втулок с фланцами. Материал заготовок принят вязкопластическим. Установлено влияние степени деформации, геометрических параметров инструмента, условий трения и скорости перемещения пуансона на относительную силу операции осесимметричного прямого выдавливания и повреждаемость материала.
Ключевые слова: прямое выдавливание, сила, давление, поле скоростей, осесимметричное напряженное и деформированное состояния, повреждаемость.
Космические летательные аппараты и связанное с ними наземное оборудование имеют сложную систему гидротрубопроводов. Высокие давления и криогенная температура требуют применения высокопрочных материалов типа титановых сплавов ВТ6С, ВТ14, ВТ20; высокопрочных
