CC BY
39
_ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.Л. Бережной
УДК 621.7.04
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-1-60-67
К ВОПРОСУ ВЫБОРА СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТИПА СЕГМЕНТ ШПАНГОУТА
Виктор Иванович Галкин, докт. техн. наук, Андрей Романович Палтиевич, канд. техн. наук, Евгений Владимирович Галкин, канд. техн. наук, Евгений Владимирович Преображенский, канд. техн. наук, Татьяна Ивановна Захарова, аспирант
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия, galkin@mati.ru
Аннотация. Представлены технологические схемы изотермической штамповки и гибки детали типа сегмент шпангоута из сплава В95. Средствами математического моделирования созданы несколько технологических схем изотермической штамповки профиля незамкнутого контура с различными параметрами процесса. Определены параметры напряженно-деформированного состояния и температурно-скоростные параметры процесса. Установлено, что наиболее перспективным способом производства детали типа сегмент шпангоута является гибка прессованного профиля на трехвалковой машине. Предложен новый вид технологического подпора, состоящий из набора стальных пластин, позволяющих предотвратить потерю устойчивости профиля во время гибки. Проведены эксперименты по гибке прессованного профиля на лабораторной трехвалковой машине и проанализированы их результаты.
Ключевые слова: обработка металлов давлением, изотермическая штамповка, QForm, гибка прессованного профиля, трехвалковая машина, технологический подпор
On the Question of Choosing of a Process to Manufacture Segments of the Frame-Type Parts. Dr. of Sci. (Eng.) Viktor I. Galkin, Cand. of Sci. (Eng.) Andrei R. Paltievich, Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy V. Galkin, Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy V. Preobrazhensky, Tatyana I. Zakharova, Postgraduate Student.
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia, e-mail: galkin@mati.ru
Abstract. The processes of isothermal forging and bending to manufacture segments of the frame-type parts from V95 alloy are described. Several modes of isothermal forging of profiles with non-closed cross section shape with various process parameters have been designed by means of mathematical modeling. Parameters of the stress-strain state and the temperature-rate parameters of the process were determined. It was stated that the most promising method to manufacture segments of the frame-type parts is bending of extruded sections on a three-roll machine. A new type of supporting piece is proposed, which consists of a set of steel plates and allows to prevent worsening of profile stability during bending. Experiments on bending of extruded profiles on a laboratory three-roll machine were carried out under laboratory conditions and their results were analyzed.
Key words: plastic metal working, isothermal forging, QForm, bending of extruded profiles, three-roll machine, supporting piece
Введение
Деталь типа сегмент шпангоута имеет сложную конфигурацию и относится к силовым деталям ответственного назначения, ее изготавливают из высокопрочных алюминиевых сплавов. В процессе производства необходима упрочняющая термообработка, поэтому изготовление такой детали является сложной технической задачей.
На стадии опытного производства предприятия авиационной отрасли производят деталь типа сегмент шпангоута методом обработки резаньем на высокопроизводительных станках с ЧПУ. Заготовку, как правило, вырезают из горячекатаной и термоупрочненной плиты [1, 2]. При таком способе производства обеспечивается высокая точность геометрических размеров изделий. Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков: низкий коэффициент использования материала (КИМ), высокая трудоемкость изготовления; снижение механических характеристик готового изделия за счет нарушения деформированной структуры материала заготовки.
В настоящее время идет поиск альтернативного способа производства детали типа сегмент шпангоута, который, с одной стороны, должен обеспечивать требуемые характеристики изделия, а с другой - быть экономически выгодным для серийного производства.
Среди методов обработки металлов давлением (ОМД) наиболее привлекательными выглядят технологические схемы, основанные на высокоточной изотермической штамповке и гибке.
Исходные данные для исследования
Для моделирования технологического процесса изготовления детали типа сегмент шпангоута методом изотермической штамповки применялась САЕ-система ОРогт, основанная на методе конечных элементов (МКЭ), который позволяет исследовать динамику и кинематику деформационных процессов в любой части заготовки
I Штамп верхний I
Заготовка
Рис. 1. Эскиз поковки шпангоута
Рис. 2. Геометрическая модель закрытого штампа для изготовления шпангоута
с учетом реологических свойств используемых материалов.
Для моделирования в ОРогт в качестве исходных использовали реологические данные сплава В95, энергосиловые параметры гидравлического пресса усилием 450 МН и скоростью траверсы 0,05 м/с; трение на границе инструмент-заготовка соответствует условиям контакта при использовании графитомасляной эмульсии с коэффициентом трения 0,15. Температурные условия процесса заданы как изотермические: температура нагрева заготовки, инструмента и окружающей среды совпадают.
В качестве заготовки использовали пруток круглого сечения диаметром 30 мм и пруток прямоугольного сечения 40^15 мм, изготовленные из алюминиевого сплава В95. На рис. 1 представлен чертеж поковки шпангоута, а на рис. 2 - геометрическая модель используемой в работе штамповой оснастки.
При моделировании рассматривались три варианта расположения заготовки в ручье штампа: у левого края, в центре и у правого края (рис. 3).
Штамп нижний
У
Рис. 3. Расположение круглой заготовки в ручье штампа
Анализ моделирования изотермической штамповки поковки шпангоута из прутка круглого и прямоугольного сечения
Анализ результатов моделирования процесса штамповки поковки шпангоута из прутка круглого сечения позволяет утверждать, что независимо от расположения заготовки в ручье штампа в теле поковки имеются области с высокими степенями деформации: при расположении заготовки у левого края ручья
Рис. 4. Накопленная степень деформации:
а - заготовка располагается в левой части ручья штампа;
б - заготовка располагается в центре ручья штампа; в - заготовка располагается в правой части ручья штампа
Рис. 5. Расчет распределения температур в поковке:
а - заготовка располагается в левой части ручья штампа;
б - заготовка располагается в центре ручья штампа; в - заготовка располагается в правой части ручья штампа
штампа максимальная накопленная степень деформации на заключительной стадии моделирования процесса составляет 6,24; при расположении заготовки в центре ручья штампа - 6; при расположении заготовки у правого края ручья штампа - 12,65 (рис. 4). Высокие степени деформаций, в свою очередь, оказывают влияние на температурные параметры процесса: в поковке происходит интенсивный дополнительный разогрев материала. При начальной температуре процесса 450 °С максимальный разогрев достигает 590 °С (рис. 5), что ведет к пережогу материала, так как для сплава В95 максимальной допустимой температурой штамповки является 550 °С [1, 3].
Моделирование изотермической штамповки поковки шпангоута из прутка прямоугольного сечения 40^15 мм из сплава В95 строится по аналогичной схеме, как и в случае с использованием круглой заготовки.
Анализ результатов моделирования процессов формоизменения показывает, что независимо от схемы расположения заготовки в ручье штампа максимальные накопленные деформации локализованы в одном и том же месте поковки - Т-образное основание - и приблизительно равны 5,6-6 (рис. 6). Это является существенным отличием данного процесса от технологического процесса с использованием круглой заготовки.
Анализ температурных параметров процесса (рис. 7) показыва-
ет, что, как и в случае с заготовкой круглого сечения, в конце процесса деформирования идет сильный разогрев материала, причиной которого также являются высокие степени деформаций. Снижение начальной температуры деформирования до 400 °С не позволяет температуре деформирования в конце процесса снизиться ниже 560 °С, что приведет к пережогу сплава В95.
В связи с вышесказанным сделан вывод о том, что наличие в процессе формоизменения высоких степеней деформации, как следствие интенсивного разогрева поковки, обусловлено начальной схемой процесса и выбранной формой заготовки. Для уменьшения степени деформации предложено в качестве заготовки использовать прессованный профиль, по форме сечения близкого к сечению шпангоута.
Анализ моделирования изотермической
штамповки из прессованной заготовки шпангоута
В новой технологической схеме процесса производства детали типа сегмент шпангоута предлагается в качестве заготовки использовать
Рис. 6. Накопленная степень деформации при штамповке заготовки прямоугольного сечения:
а - заготовка располагается в левой части ручья штампа; б - заготовка располагается в правой части ручья штампа; в - заготовка располагается в центре ручья штампа
Рис. 7. Расчет распределения температур в поковке при использовании в качестве заготовки прутка прямоугольного сечения:
а - заготовка располагается в левой части ручья штампа;
б - заготовка располагается в центре ручья штампа; в - заготовка располагается в правой части ручья штампа
Рис. 8. Накопленная степень деформации при штамповке из прессованной заготовки
прессованный профиль, Т- и Г-образные полки которого имеют меньшую длину по сравнению с полками поковки шпангоута, а площади сечения профиля и поковки равны между собой. В процессе изотермической штамповки геометрия исходной заготовки формоизменяется до геометрии поковки шпангоута, а в изогнутом ручье штампа происходит изгиб профиля до требуемого радиуса изгиба.
В ходе моделирования рассматриваемого процесса установлено, что степень накопленной деформации для сплава В95 составляет 1,6 (рис. 8).
Анализ температурных параметров процесса показывает, что температура протекания процесса увеличилась с начальных 515 до 550 °С. Это свидетельствует о том, что материал находится в области максимальной пластичности, не достигая области пережога.
Типе (вес)
Рис. 9. Усилие штамповки поковки из сплава В95, температура процесса 500 °С
Ручей штампа заполнен полностью, дефекты отсутствуют. Усилия деформирования составляют 130 МПа (рис. 9).
Проведенное математическое моделирование процесса изотермической штамповки из прессованной заготовки шпангоута характеризуется допустимыми параметрами напряженно-деформированного состояния (НДС) и температурно-скоростными параметрами процесса, что доказывает его состоятельность. Однако данная схема производства сложна в исполнении при крупносерийном производстве из-за нехватки оборудования необходимой мощности. В связи с вышесказанным необходим поиск альтернативных способов производства детали типа сегмент шпангоута.
Технологическая схема производства детали типа сегмент шпангоута гибкой из прессованного профиля
Производство детали типа сегмент шпангоута методами гибки может осуществляться в горячем либо холодном состоянии, с растяжением, с подпором [4]. В качестве заготовки для данного способа предлагается использовать прессованный профиль двутаврового сечения, что позволяет сократить объем последующей механической обработки. К преимуществам данной технологии относятся высокий КИМ, деформированная структура материала изделия, применение упрочняющей термообработки.
Основная проблема изготовления шпангоута гибкой из прямолинейного профиля заключается в сохранении устойчивости его сечения
в процессе формоизменения. Для любого способа гибки характерно неравномерное распределение напряжений и деформаций по высоте сечения профиля: они растут от нуля в нейтральном слое до максимальной величины на внешних поверхностях полок шпангоута (рис. 10) [5]. Переход от упругой к пластической деформации происхо-
Нейтральный —/__слой
Рис. 10. Эпюра распределения деформаций по толщине заготовки при гибке
дит в поверхностных слоях заготовки, за счет чего фиксируется изогнутая форма шпангоута.
При гибке усилием вся внутренняя зона заготовки по толщине в процессе приложения нагрузки испытывает упругую деформацию, что приводит к явлению пружинения после снятия нагрузки [6]. Поскольку деталь типа сегмент шпангоута имеет длину около трех метров, то ее производство гибкой усилием в условиях серийного производства является сложной и трудоемкой задачей.
Значительно эффективней, с точки зрения уменьшения пружинения, применение гибки с растяжением, для которой эпюра распределения деформаций является суммой аналогичных эпюр для процессов гибки и растяжения (рис. 11) [7].
Благодаря этому большая часть заготовки по толщине переходит в зону пластических деформаций, нейтральный слой смещается в сторону центра кривизны детали. В случае применения в качестве заготовки прямолинейного прессованного профиля в процессе правки он получит деформацию 1-1,5 %. При последующей гибке с растяжением профиль получит дополнительную деформацию 3 %. Суммарная степень деформации в этом случае составит 4-4,5 %, что недопустимо для сплава В95. Поэтому изготовление детали типа сегмент шпангоута гибкой с растяжени-
Рис. 11. Эпюра распределения деформаций по толщине детали при гибке с растяжением
ем из прямолинейного профиля в холодном состоянии крайне проблематично.
Горячая гибка прессованного профиля сопряжена с процессом возврата при старении, при котором сплавы типа дуралюмин даже при кратковременном нагреве до температуры 250300 °С снижают прочностные характеристики до уровня, характерного для свежезакаленного состояния [8]. Поэтому после горячей гибки заготовка должна быть подвергнута термообработке, что может привести к образованию крупнокристаллического ободка, снижающего механические и эксплуатационные характеристики изделия [9, 10]. Горячая гибка в штампе может быть реализована только при наличии подпора на элементы поперечного сечения профиля. В противном случае гибка будет сопровождаться искажением сечения профиля.
Исходя из вышесказанного, перспективным вариантом может служить технологическая схема гибки профиля незамкнутого контура на трехвалковой машине.
Технологическая схема гибки профиля незамкнутого контура на трехвалковой машине
с использованием технологического подпора
В данном способе в качестве заготовки используется прессованный профиль двутаврового сечения. Поскольку двутавр является профилем незамкнутого контура, то в процессе гибки может происходить потеря устойчивости. Для решения этой проблемы нами предложен специальный технологический подпор, состоящий из набора стальных пластин, длина которых на 15-20 см больше длины используемого профиля, а ширина незначительно превышает ширину полок профиля. Пластины размещают внутри заготовки и проводят гибку с поперечным подпором (рис. 12).
Совместную гибку заготовки и подпора проводят на трехвалковой машине. Стальные пластины должны деформироваться в упругой области, поэтому они должны иметь небольшую высоту (около 1 мм), а для того чтобы пластины воспринимали деформацию по отдельности в процессе формоизменения необходимо использовать технологическую смазку.
В процессе гибки набор стальных пластин, установленный в полость между полками профиля, изгибаясь в упругой области, обеспечивает необходимый подпор на стенки профиля и предотвращает образование складок на них, в то время как полки профиля за счет возникающих в них тангенциальных напряжений испыты-
ш У
А
В
Рис. 12. Схема установки вставок в профиль:
1 - технологические стальные вставки шириной В;
2 - алюминиевый профиль двутаврового сечения
шириной А
Рис. 13. Профиль, по генный в результате лабораторно! ксперимента
Рис. 14. Смещение торцов пластин относительно друг друга в результате эксперимента
вают пластическую деформацию. Предложенная конструкция подпора позволяет многократно использовать технологическую оснастку.
В лабораторных условиях проведены эксперименты по гибке двутаврового профиля из сплава АД31 на лабораторной трехвалковой машине. Гибку проводили с заполнением межполочного пространства технологическими вставками из стальных пластин. В качестве смазки использовали литиевую смазку «Ли-тол-24». В результате эксперимента получены гнутые профили без местной потери устойчивости (рис. 13).
Кроме того, в результате эксперимента показано, что торцы стальных пластин равномерно смещаются друг относительно друга (рис. 14), следовательно, в процессе гибки подпор деформируется не как монолитный объект, а деформация равномерно делится и распределяется по пластинам.
Обобщая результаты эксперимента, можно сделать следующие выводы. Причина образования складок на полках профиля в случае гибки без подпора заключается в том, что при пластическом изгибе в металле возникают тангенциальные напряжения, переменные по высоте. Дефектов профиля не появлялось при использовании технологического подпора, следовательно, в процессе гибки профиля незамкнутого контура на трехвалковой машине целесообразно использовать боковой подпор [11].
Выводы
1. Изготовление деталей типа сегмент шпангоута методами обработки резаньем применимо лишь в условиях опытного производства, в связи с чем поиск новых методов изготовления данной детали является актуальной задачей.
2. Применение технологических схем, основанных на изотермической штамповке поковок, заготовками для которых служат прутки круглого и прямоугольного сечения, является нецелесообразным, так как в процессе деформирования происходит значительный температурный разогрев, способный привести к пережогу металла. Кроме того, степени деформации для этих процессов превышают допустимую величину, что крайне нежелательно для используемого в производстве сплава В95.
3. Технологическая схема изотермической штамповки, в которой в качестве заготовки используется прессованный профиль, характеризуется допустимыми для сплава В95 показателями степени накопленной деформации (1,6) и температурными параметрами процесса - максимальная температура процесса составляет 550 °С. Однако данная схема сложна в реализации при крупносерийном производстве из-за потребности в большом количестве мощного оборудования.
4. Среди методов гибки наиболее рационально использовать гибку прессованного
профиля двутаврового сечения на трехвал-ковой машине. Однако применение гибки для изготовления шпангоута ведет к потере устойчивости профиля. Для устранения данного недостатка необходимо использовать технологический подпор.
5. Предложен новый вид технологического подпора, состоящего из набора стальных пластин, применение которого позволяет избежать потери устойчивости профиля. Проведенные лабораторные эксперименты показали состоятельность предлагаемой технологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кишкина С.И., Фридляндер И.Н. Авиационные материалы: справ. в 9 т. 6-е изд., перераб. и доп. Т. 4. Алюминиевые и бериллиевые сплавы. Ч.1. Деформируемые алюминиевые сплавы и сплавы на основе бериллия (в 2-х книгах). Кн. 1. - М.: ОНТИ, 1982. - 625 с.
2. Квасов Ф.И., Фридляндер И.Н. Промышленные алюминиевые сплавы: справ. изд. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. - 528 с.
3. George E. Totten. Handbook of Aluminum. Vol. 1: Physical Metallurgy and Processes. Marcel Dekker Ltd, 2003. - 1296 p.
4. Голенков В.А., Дмитриев А.М., Кухарь В.Д., Радченко С.Ю. Специальные технологические процессы и оборудование обработки металлов давлением. - М.: Машиностроение, 2004. - 464 с.
5. Константинов И.Л., Сидельников О.Б. Основы технологических процессов обработки металлов давлением: учебник. - Красноярск: СФУ, 2015. -488 с.
6. Орлов Г.А. Технологические процессы обработки металлов давлением: учеб. пособие. - Екатеринбург: УМЦ УПИ, 2013. - 198 с.
7. Анищенко А.С. Прогрессивные технологические решения в обработке металлов давлением: учеб. пособие. - Мариуполь: ПГТУ, 2013. - 180 с.
8. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: справ. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.
9. Шимов Г.В., Буркин С.П. Основы технологических процессов обработки металлов давлением: учеб. пособие. - Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2014. - 1б0 с.
10. Арчакова З.Н., Балахонцев Г.А., Басова И.Г. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. изд. - М.: Металлургия, 1984. - 408 с.
11. Пат. 2691478 РФ.
REFERENCES
1. Kishkina S.I., Fridlyander I.N. Aviatsionnyye mate-rialy: sprav. v 9 t. 6-ye izd., pererab. i dop. T. 4. Alyumi-niyevyye i berilliyevyye splavy. CH I. Deformiruyemyye alyuminiyevyye splavy i splavy na osnove berilliya (v 2-kh knigakh). Kn. 1. - M.: ONTI, 1982. - 625 s.
2. Kvasov F.I., Fridlyander I.N. Promyshlennyye alyu-miniyevyye splavy: sprav. izd. 2-ye izd., pererab. i dop. - M.: Metallurgiya, 1984. - 528 s.
3. George E. Totten. Handbook of Aluminum. Vol. 1: Physical Metallurgy and Processes. Marcel Dekker Ltd, 2003. - 1296 p.
4. Golenkov V.A., Dmitriyev A.M., Kukhar V.D., Rad-chenko S.Yu. Spetsialnyye tekhnologicheskiye protsessy i oborudovaniye obrabotki metallov dav-leniyem. - M.: Mashinostroyeniye, 2004. - 464 s.
5. Konstantinov I.L., Sidel'nikov O.B. Osnovy tekhno-logicheskikh protsessov obrabotki metallov davleni-yem: uchebnik. - Krasnoyarsk: SFU, 2015. - 488 s.
6. Orlov G.A. Tekhnologicheskiye protsessy obrabotki metallov davleniyem: ucheb. posobiye. - Yekaterinburg: UMTS UPI, 2013. - 198 c.
7. Anishchenko A.S. Progressivnyye tekhnologicheskiye resheniya v obrabotke metallov davleniyem: ucheb. posobiye. - Mariupol: PGTU, 2013. - 180 s.
8. Polukhin P.I., Gun G.Ya., Galkin A.M. Soprotiv-leniye plasticheskoy deformatsii metallov i splavov: sprav. 2-ye izd. - M.: Metallurgiya, 1983. - 352 s.
9. Shimov G.V., Burkin S.P. Osnovy tekhnologicheskikh protsessov obrabotki metallov davleniyem: ucheb. posobiye. - Yekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo univer-siteta, 2014. - 160 s.
10. Archakova Z.N., Balakhontsev G.A., Basova I.G. i dr. Struktura i svoystva polufabrikatov iz alyumi-niyevykh splavov: sprav. izd. - M.: Metallurgiya, 1984. - 408s.
11. Pat. 2691478 RF.
