CC BY
106
УДК 621.983; 539.374
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru,
К.С. Ремнев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МНОГООПЕРАЦИОННАЯ ВЫТЯЖКА ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ТОНКОСТЕННЫХ ДНИЩ
Приведен технологический процесс изготовления полусферических тонкостенных днищ из титанового сплава ПТ-ЗВ кт.
Ключевые слова: вытяжка, напряжение, деформация, анизотропия, формоизменение, матрица.
В последнее время сплавы на основе титана все шире применяются в изделиях, работающих при криогенных температурах. Одним из перспективных титановых сплавов для работы при низких температурах является сплав ПТ-3Вкт, содержащий в качестве легирующих компонентов алюминий и ванадий.
Получение днищ с геометрическими соотношениями < 0,003 и Н / В = 0,5 из труднодеформируемых сплавов представляется весьма сложной технологической задачей и в настоящее время часто решается точением из заготовок, изготовленных методом объемной штамповки. Однако трудоемкость механической обработки очень высока, а коэффициент использования металла очень мал. Наиболее приемлемым способом изготовления полусферических тонкостенных заготовок из титана является штамповка из листовой заготовки с последующим химическим фрезерованием [1-3].
Штамповка крупногабаритных деталей (В >1000 мм) с подогревом требует дорогостоящего нагревательного устройства в штампе, и при этом значительно повышается зональное утонение днища, что неизбежно вызовет необходимость увеличивать толщину заготовки, снизит коэффициент использования материала (КИМ) и увеличит массу изделия [3].
Только метод ступенчатого набора с последующей калибровкой позволяет штамповать титан вхолодную, избежав всех вышеуказанных недостатков. Сущность метода заключается в последовательной цилиндрической вытяжке со средним коэффициентом вытяжки т^Ср = 0,8 с
межоперационными отжигами, обтяжкой по пуансону и калибровкой взрывом.
На первой операции осуществляется обычная вытяжка цилиндрического стакана с диаметром, равным диаметру первой ступени (максимальный диаметр). За каждую последующую операцию вытяжки осуществляется получение цилиндрического участка с диаметром, равным диаметру следующей ступени. При этом одновременно уменьшается высота цилиндри-
420
ческого участка, полученного на предыдущем переходе, до заданного значения. При правильном расчете размеров заготовки на последней операции вытяжки получают последнюю ступень с заданными диаметральными размерами и высотой.
Использование этого метода при обработке титановых сплавов имеет следующие особенности (рис. 1).
1. Вытяжку цилиндрического стакана в первой операции осуществляют до полного исчезновения фланца на диаметр, равный (1,15...1,25)
^сф.
2. Формирование фланца полусферы осуществляют на второй операции, полностью перетягивая стенку первого перехода в стенку и фланец второго (^2=1054 мм).
3. Вытяжку на третьей операции ведут таким образом, чтобы высота оставшейся стенки второго перехода позволяла ступенчатому полуфабрикату «вписаться» в сферическую калибровочную матрицу при укладке.
4. Обтяжку ступенчатого полуфабриката по сферическому пуансону ведут в две операции с промежуточными отжигами без вытягивания фланца из-под прижима, причем ступени расправляются не полностью.
Рис. 1. Эскизы полуфабрикатов по операциям вытяжки
Калибровка взрывом ведется в два подрыва с промежуточным отжигом, причем в первом подрыве фланец зажат максимальным давлением гидрозажимов с силой 2000 кН, и происходит окончательное разглаживание ступеней, а во втором - втягивание недостающего металла из-под фланца.
У отштампованной полусферы отрезается фланец и вырезается отверстие 0 350 мм в дне (рис. 2). Затем деталь проходит операцию химического фрезерования.
Первоначально из-за отсутствия титанового листа шириной до 2000 мм штамповка велась из сварной заготовки, причем сам ступенчатый набор проводился вхолодную на пресс УЗТМ с силой 10000 кН, а обтяжка по пуансону в сферическую матрицу - с подогревом в печи при Т = 900 °С.
Рис. 2. Эскиз полуфабриката перед операцией химического
фрезерования
Несмотря на то, что штамп для калибровки имел пуансон, набранный из текстолитовых колец, и текстолитовый прижим, заготовка при переносе из печи и укладки в штамп подстывала до Т = 400...450 °С и в результате металл выходил из температурного интервала хорошей пластичности (рис. 3). Как следствие, большинство заготовок разрывалось по сварному шву, и брак достигал 90 %.
Рис. 3. Зависимости изменения механических характеристик (вв, °0 2 и 5) от температуры обработки
422
Хотя существовала принципиальная возможность изготовления годной детали из сварной заготовки в изотермических условиях при наличии штампа с подогревом, основные усилия были направлены на получение широкого листа и они увенчались успехом. Изготовлен лист из сплава ПТ-3Вкт размером 2000х 2000 х 3,5 мм. Титановый сплав ПТ-3Вкт содержит в своем составе следующие легирующие элементы в % массы (таблица) и имеет следующие характеристики: условный предел текучести О02 = 630...730 МПа, временное сопротивление ав = 660...760 МПа, относительное удлинение после разрыва 5 = 21 %; относительное равномерное удлинение 5 р = 7,65 %.
Содержание легирующих элементов сплава ПТ-3Вкт в % массы
А1 V С N2 Гв С2
3,8 1,4 0,08 0,04 0,07 0,02 0,13
Выполнены исследования кристаллографической текстуры листа в исходном состоянии как важного показателя анизотропии листа и штам-пуемости. Кроме того, дефекты, возникающие при штамповке, и окончательные свойства днища имеют непосредственную связь с изменением текстуры при формообразовании и отжигах. Исследование текстуры проводилось рентгеновским методом с помощью анализа прямых и обратных полюсных фигур, полученных в результате съемок «на отражение».
Съемка дифрактограмм для построения полюсных фигур производилась на аппарате ДРОН-0,5 в отфильтрованном медном излучении с применением дифференциальной дискриминации. Для съемок была использована текстурная приставка ГП-2, а для увеличения числа зерен, участвующих в отражении, использовалась возвратно-поступательное движение образца, которое предусмотрено в приставке ГП-2.
Известно, что наиболее благоприятной для вытяжки текстурой листа является базисная текстура (0001) [1010] или близкая к ней. Полученный лист, как выяснилось при рентгеноструктурных исследованиях, описывается двумя компонентами: (0001) [1010] и (0001) ± 60° НН -ПН [1010] (здесь НН - направление нормали к поверхности листа; ПН - поперечное направление относительно направления прокатки). Проведенные механические испытания показали, что такая текстура обеспечивает коэффициент нормальной пластической анизотропии Я = 2...3 и практически изотропное состояние в плоскости листа.
Первый опыт штамповки нового листа ПТ-3Вкт показал, что, несмотря на принципиальную верность выбранной технологической схемы, процесс был нестабилен. Высокий процент брака (до 25 %) из-за образования микротрещин на внешних радиусах первой и второй операции, а также
на внутренней поверхности полусферы после калибровки требовал проведения исследований для выявления и устранения причин образования разрывов и дальнейшей отработки технологического процесса. Исследования велись в направлении установлении оптимальной температуры отжига, борьбы с газонасыщенным слоем и анализа изменения текстуры в процессе деформирования и при отжигах (истории деформации по участкам).
Отжиг, снимающий нагартовку, приводит к образованию на поверхности тирана так называемого газонасыщенного слоя, имеющего повышенную твердость и хрупкость. Как правило, газонасыщенный слой мог являться причиной образования микротрещин.
Исследования на образцах для определения глубины газонасыщенного слоя методом замера твердости и исследования микроструктуры после травления показали, что рекристаллизационный отжиг при Т = 800, 850, 900 °С формирует газонасыщенный слой от 0,2 до 0,5 мм глубиной при отжиге в течение 1 часа. Устранить полностью слой такой глубины не представлялось возможным, т.к. это вывело бы за пределы допуска по толщине в детали в нехимфрезеруемой зоне 11 (рис. 2).
В то же время отжиг при Т =650 °С в течение 5 часов, как показали исследования, формирует газонасыщенный слой на глубину не более 10 мкм (0,1 мм), что вполне приемлемо при 4 - 5 межоперационных отжигах по 1 часу, которые проходят ступенчатый полуфабрикат до калибровки.
Параллельно проводились исследования влияния отжигов на текстуру листа. Отжиги образцов исследованного сплава проводились в вакуумной трубчатой печи при температуре 650 °С; при этой температуре достаточно активно развиваются рекристаллизационные процессы.
На рис. 4 приведены результаты исследования текстуры в зависимости от длительности отжига т при указанной температуре. После рекри-сталлизациинного отжига в течение 1 часа текстура описывается двумя компонентами: (0001) [1010] и (0001) ± 60° НН-ПН [1010] и совпадает с текстурой листа до отжига, (здесь НН - направление нормали к поверхности листа, ПН - поперечное направление относительно направления прокатки). Отжиг в течение 2 часов при 650 °С практически не меняет текстуру рекристаллизации сплава ПТ-3Вкт. Однако уже трехчасовой отжиг приводит к появлению третьей компоненты текстуры рекристаллизации (0001)±20° НН-НП [1010]. Дальнейшее же увеличение длительности отжига до 6.7 часов ведет к формированию единственной компоненты (0001) [1010], т.е. исчезают ориентировки, неблагоприятные для штам-пуемости.
Такой характер изменения текстуры рекристаллизации может быть объяснен следующим образом. Как и в сплавах титана, содержащих более 2 % алюминия, в листах сплава ПТ-3Вкт после отжига при температурах,
близких к температуре начала рекристаллизации, основной компонентой текстуры является ориентировка (0001) [1010]. При небольших длительностях отжига наряду с ней присутствуют и другие компоненты, которые, однако, не "выживают" в процессе конкурентного роста зерен.
Подобные особенности развития текстуры рекристаллизации наблюдались и для других металлов и сплавов [4]. Объяснение состоит в том, что подвижность границ зерен зависит не только от разориентации соседних зерен, ориентации самой границы относительно кристаллических решеток этих зерен, но и от вида и количества примесей и легирующих элементов.
в г
Рис. 4. Изменение текстуры материала в зависимости от длительности отжига: а - т = 1 ч; б - т = 2 ч; в - т = 3 ч; г - т = 7 ч
Таким образом, при увеличении длительности отжига при температуре 650 °С в листах сплава ПТ-3Вкт наблюдаются изменения текстуры, способствующие усилению благоприятных для штампуемости ориентировок. Проведенные исследования позволили сделать выбор температуры межоперационных отжигов, равной 650 °С в течение часа. Эта температура при неоднократных отжигах формирует благоприятную для штампуемости текстуру 0001 [1010] и создает незначительный по глубине газонасыщенный слой повышенной твердости и хрупкости, который снимается операцией травления без риска выйти за минусовой допуск по толщине в не-химфрезерованной зоне II (рис. 2). Как показали замеры твердости на
образцах, вырезанных из прокатанных на заводе «Запорожсталъ» листов, металл в состоянии поставки, несмотря на шлифовку поверхности, также имеет газонасыщенный слой. Поэтому, помимо травления заготовки перед обтяжкой по пуансону, введена дополнительная операция травления листов в исходном состоянии. Необходимо отметить, что решение о глубине травления заготовки или ступенчатого полуфабриката перед обтяжкой принимается индивидуально по каждой заготовке на основании данных измерения толщины ультразвуковым толщиномером «Калипер-204» по схеме, введенной в технологический паспорт детали, и глубины газонасыщенного слоя на образцах-свидетелях и, как правило, не превышает 0,1 мм за один раз.
Выводы
1. Метод ступенчатого набора с последующей обтяжкой по пуансону и калибровкой взрывом позволяет штамповать полусферические днища диаметром больше 1000 мм из труднодеформируемых титановых сплавов вхолодную с зональным утонением не больше 15 % от исходной толщины металла.
2. Неоднократный межоперационный отжиг при температуре 650 °С по 1 часу формирует в листе титанового сплава ПТ-3Вкт текстуру (0001) [1010], благоприятную для штампуемости, и создает суммарную толщину газонасыщенного слоя не более 0,1 мм, что позволяет принять эту температуру как оптимальную.
3. Для снижения вероятности образования микротрещин, которые могут быть причиной брака, обязательно введение операции травления листа сплава ПТ-3Вкт перед первой операцией и ступенчатого полуфабриката перед калибровкой, причем глубина травления должна определяться для каждой заготовки индивидуально после замера толщины заготовки и исследования глубины газонасыщенного слоя на образцах-свидетелях.
4. Причиной образования микротрещин на поверхности ступенчатого полуфабриката может также являться исчерпание ресурса пластичности в различных зонах при вытяжке, обтяжке и калибровке взрывом [5, 6].
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Список литературы
1. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ. М.: Машиностроение, 1976. 350 с.
2. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1968. 283 с.
3. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.
4. Адамеску Р.А., Гельд П.В., Митютттков Е.А. Анизотропия физических свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136 с.
5. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 836 с.
6. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. 329 с.
S. Yakovlev, K. Remnev
THE MULTIOPERATION DRAWING OF HEMISPHERICAL THINWALLED DISHED ENDS
The technological process of hemispherical thinwalled dished ends from titanium alloy pt-3vkt producing is shown.
Key words: drawing, stress, deformation, anisotropy, forming, die.
Получено 07.06.11
УДК 621.983; 539.374
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
В.А. Коротков, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДНИЩ ИЗ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведен технологический процесс изготовления полусферических днищ из высокопрочных малопластичных материалов.
Ключевые слова: вытяжка, штамп, прижим, пуансон, матрица, гофрообразо-вание, формоизменение, матрица.
Полусферические днища емкостей и топливных баков изготавливаются диаметром от 300 до 4500 мм с относительной толщиной стенки от 0,06 до 0,003 мм. Для получения днищ, размеры, форма и прочностные свойства которых, удовлетворяли бы эксплуатационным требованиям, используются различные технологические процессы. Используемые технологические процессы изготовления крупногабаритных полусферических днищ топливных баков для ракетно-космической техники или емкостей для нефтехимической промышленности относятся к мелкосерийному и единичному производствам. Это обстоятельство обуславливает выгодность применения универсальной, быстропереналаживаемой штамповой оснастки и использованием таких способов формоизменения, при которых тех-
