CC BY
49
УДК 539.374; 621.983
С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler. щ, (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОДНОСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧЕК ГАЗОМ
Приведены типовые технологические процессы изготовления однослойных оболочек газом из высокопрочных листовых материалов.
Ключевые слова: анизотропный материал, деформирование, пневмоформовка, давление, температура, толщина, мембрана, шаровые емкости, торовые емкости.
Шаровые оболочки емкостей для компонентов топлива, стенки и перегородки отсеков являются типовыми изделиями ракетно-космической техники [1]. Традиционные варианты их производства представляют собой многопереходную прессовую вытяжку с промежуточными термообработками или молотовую штамповку в подкладных штампах. Существенной проблемой здесь является недостаточный уровень точности изделий из-за наличия остаточных напряжений, что вызывает поводки контура и связанный с их устранением большой объем слесарно-доводочных работ по пригонке деталей в заданные размеры с обеспечением их собираемости для последующей аргонно-дуговой или электронно-лучевой сварки. Остаточные напряжения во многом вызваны исходной и развивающейся при формообразовании анизотропией механических свойств деформируемого листа и неравномерностью деформаций [2].
Изотермическое формообразование газом является альтернативным процессом изготовления названных емкостей из листовых титановых сплавов ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ23, алюминиевых высокопрочных сплавов АМг6, 1971 и 1201, литиевого сплава 1421. Технологическая схема процесса показана на рис. 1.
Рис. 1. Эскизы операций
Данный технологический процесс является базовым вариантом и предусматривает возможности корректировок. Возможен процесс прямого формообразования или реверсивного с предварительной задержкой донной части и последующей окончательной формовкой контура заготовки. Если
по первому варианту разнотолщинность по образующей изделий составляет 40 % исходной толщины листа, то по второму ее можно уменьшить. Температура формообразования для названных титановых сплавов - около
900 ° С, для алюминиевых сплавов - 450...500° С. При этом титан формуют в вакууме с остаточным давлением 10 мм рт. ст. или в проточном аргоне, что предупреждает образование на поверхности заготовок альфиро-ванного слоя. Процесс зависит от скоростных условий обработки (роста давления газа во времени). Повышение скорости вызывает рост давления и высокую неравномерность толщины по образующей. Уменьшение скорости ведет к перегреву, росту зерна металла, накоплению внутренних дефектов. В этой связи процесс должен быть оптимальным по длительности: для титана - в пределах 0,2...0,3 ч, для алюминиевых сплавов - 0,15...0,25 ч. После формообразования производится выдержка во времени под давлением газа (термофиксация полусферы). Маршрутный технологический процесс формообразования однослойных оболочек приведен в табл. 1.
Таблица 1
Типовой технологический процесс (маршрут) формообразования
однослойных оболочек
№ Операции Технологические режимы
Температура, °С Давление, МПа Время, мин
1 Подготовка исходных заготовок (резка, обезжиривание, травление, промывка, сушка) По отдельным техпроцессам
2 Установка в штамп
3 Нагрев в аргоне или вакууме 1,33 Па (титановые сплавы) или атмосфере (алюминиевые сплавы) 875...930 до
450...510 100...200
4 Смыкание штампа, подача аргона и формообразование под давлением 875...930 1.1,5 15...20
450...510 0,8.1 10...15
5 Охлаждение штампа с изделием под давлением (внутренним) газа до 300 до 200
6 Охлаждение штампа при снятом давлении в проточном газе (аргоне) до 70...100 до 200
7 Раскрытие штампа и съем изделия при 50...70
8 Обрезка
9 Химическое травление По отдельным техпроцессам
10 Подготовка к сварке, сварка двух полусфер, вварка штуцеров
В таблице в числителе приведены значения технологических режимов для титановых сплавов, а в знаменателе - для алюминиевых сплавов.
При таком формообразовании полусферы из ВТ23 радиусом 300 мм из листа толщиной 1,5 мм максимальное давление газа составило 0,8 МПа на четвертой минуте операции при конечном давлении 0,5 МПа и общем времени операции 15 мин. Максимальное утонение заготовки в куполе полусферы достигает 40 % исходной толщины листа. Толщина в зоне перехода стенки во фланец составляет 70 % исходной, что дает неравномерность по толщине сферы вдоль образующей в пределах 30 % (после обрезки фланцевой части). При необходимости такая неравномерность устраняется последующим химическим травлением.
Металлографические анализы показывают, что при формообразовании практически не происходит роста зерна материала при исходном его размере в пределах 5...10 мкм. Этот фактор позволяет обеспечить длительную прочность, коррозионную стойкость изделий и сохранить их герметичность в заданных условиях эксплуатации.
После формообразования заготовку обрезали по фланцу и химфре-зеровали до заданной толщины стенки. В дальнейшем две заготовки стыковали, соединяли сваркой и вваривали штуцерные элементы. Лазерная сварка проводилась в стапеле на установке ЛГТ 202 с лазерной головкой мощностью 2,5 кВт непрерывного излучения при вращении заготовок со скоростью 1,2 об/мин. Провар - сквозной на подкладном кольце. Исследования структуры материала не выявило роста зерен.
Механические характеристики материалов изделий были следующие: предел прочности (1,1... 1,2) 10 МПа для титанового сплава ВТ23; для алюминиевого сплава 1971 после термоупрочнения - 0,35х10 МПа; для сплава АМг6 - 0,23х10 МПа. Изменение толщины стенки по образующей изделия от радиусной зоны до купола составляли от 1,15 до 0,55 мм для титанового сплава и до 0,45 мм - для алюминиевого сплава. Г ерметичность контролировали гелиевым течеискателем.
По сравнению с традиционной многопереходной штамповкой, последующей механической обработкой и пригонкой трудоемкость снижается в 2...3 раза, расход металла - в 3...5 раз, точность геометрии изделия повышается в 5...7 раз.
Промышленные образцы полусфер и изделий емкостей показаны на рис. 2 и 3.
V
Рис. 2. Днища баков из ВТ14 формованные газом
Рис. 3. Образцы полусферы (а) и шаровой (а) и торовой емкости (б)
после сварки из ВТ14, ВТ23
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 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. 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. Larin
Processes for morphogenesis of single-layer jackets by a gas pressure
Typical processes for production of single-layer jackets by a gas pressure are resulted.
Key words: anisotropic material, deformation, pneumo-forming, pressure, temperature, thickness, diaphragm, spherical jackets, toroidal jackets.
Получено 04.08.10
