CC BY
89
УДК 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
К.С. Ремнев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.И. Трегубов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ТОНКОСТЕННЫХ ДНИЩ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА
Приведен новый технологический процесс изготовления полусферических днищ из высокопрочных титановых сплавов методами глубокой вытяжки.
Ключевые слова: анизотропия, технологический процесс, титановый сплав, полусферическое днище, деформирование, вытяжка, сила, разрушение.
В космической технике для хранения топлива широко используются баки сферической формы, изготавливаемые из двух отштампованных полусфер сваркой встык.
Основными критериями при выборе материала для бака являются запас прочности, долговечность и малая масса. Установлено, что по сравнению с алюминиевыми баки, изготавливаемые из титановых сплавов, при прочих равных качественных показателях будут иметь более низкую массу, а следовательно, более выгодны.
Новый титановый сплав ПТ-3Вкт содержит в своем составе следующие легирующие элементы в % массы: Al - 3,8, V - 1,4, C - 0,08, N2 - 0,04, Fe - 0,07, Si - 0,02, O2 - 0,13.
Поскольку отштампованные полусферические днища в дальнейшем проходят операцию химического фрезерования, для облегчения конструкции и из-за особых условий работы изделий высокие требования предъявляются к результирующему утонению отштампованных днищ. Оно не должно быть меньше 0,9 толщины исходного материала sq .
Кроме того, титановые сплавы имеют существенно меньшую теплопроводность по сравнению с алюминиевыми, что немаловажно для криогенных баков, они не требуют проведения специальных мероприятий по защите от коррозии и более пригодны для многоразового использования.
Для хранения больших запасов горючего при давлении, не превышающем 6 МПа, используют сферические баки в интервале диаметров 1000 мм< Dсф <2000 мм с рассчитанным из условий прочности соотношением Dсф < 0,003.
Известен способ штамповки днищ с предварительным ступенчатым набором и последующей калибровкой на мощных гидравлических прессах или установках для беспрессовой штамповки с использованием импульсных энергоносителей [1, 2].
Недостатком этого способа является тот факт, что фланец, получаемый на первом переходе предварительной вытяжки, остается без изменений до окончательной калибровки и является также фланцем требуемого полусферического полуфабриката, а весь предварительный набор осуществляют за счет перераспределения металла без участия в нем фланца. При этом диаметр первого перехода Dl меньше диаметра полусферы [4], ибо в противном случае ступенчатая заготовка не вписалась бы в калибровочную матрицу, повторяющую контур заготовки и, следовательно, коэффициент вытяжки первого перехода в отличие от коэффициентов вытяжки последующих переходов, в среднем равных 0,8 составил бы
что делает невозможным использование метода при штамповке полусфер из титановых сплавов. Способ не дает также такую форму ступенчатого набора, которая обеспечила бы снижение широтных деформаций растяжения и исключила бы гофрообразование при калибровке, т.к. не содержит указаний, на какую высоту производить вытяжку в каждом переходе предварительного ступенчатого набора. Из опыта известно [1-3], что гофры, возникающие при штамповке титановых сплавов, не устраняются ни последующей калибровкой взрывом, ни калибровкой вгорячую, а увеличение деформаций растяжения, не достигающих критической величины при калибровке более пластичных металлов, приводит к разрывам при штамповке.
Указанным методом из металлов, имеющих уменьшенную или низкую штампуемость, каким и являются титановые сплавы, качественную
Задачей является повышение качества крупногабаритных (1000 мм< Осф <2000 мм ) полусферических днищ титановых баков с соотношением толщины стенки s0 к диаметру днища Осф меньше 0,003.
Поставленная задача решается путем многопереходной ступенчатой вытяжки цилиндрических стаканов с промежуточными отжигами и последующей калибровкой импульсным нагружением с образованием изделия требуемой формы, причем на первом переходе вытяжки получают цилиндрический стакан без фланца с диаметром dl, равным от 1,15 Осф до
1,25 Осф [4]. На втором переходе формируют фланец, а вытяжку цилинд-
полусферу с соотношением можно.
вхолодную получить невоз-
рической части стакана производят до момента появления отклонения цилиндрической стенки, полученной на первом переходе, от исходного положения. На третьем переходе вытягивают полуфабрикат с высотой, равной от 0,9 до 0,95 z (z - расстояние между плоскостью фланца, обращенной к цилиндрической части, и плоскостью, параллельной фланцу, и проведенной через линию пересечения проекции контура готового днища и цилиндрической стенки полуфабриката второго перехода), а на каждом следующем переходе вытяжку производят до полного переформовы-вания цилиндрической стенки, полученной на предыдущем переходе, в цилиндрическую стенку с меньшим диаметром.
Последовательность операций поясняется рис. 1 - 7.
На рис. 1, 2 изображена исходная листовая заготовка и детали после первой операции вытяжки; на рис. 3 - 10 показаны вытяжные переходы соответственно с I по VI; на рис. 7 изображен полуфабрикат после калибровки обтяжкой; на рис. 9 представлена схема II перехода вытяжки, где номерами позиций 1, 2 и 3 обозначены соответственно матрица, прижим и пуансон; на рис. 10 - схема V перехода вытяжки.
01850
Рис. 1. Заготовка. Отжиг при T = 600° C в течение 1 часа
- - г 1 (N1
01435 = 1,22 Осф
Рис. 2. Полуфабрикат I перехода вытяжки.
Отжиг при T = 600° C в течение 1 часа
Следует отметить, что во втором переходе вытяжка прекращается в момент, когда кромка заготовки под действием изгибающего момента на входе А под радиусный прижим отклоняется с увеличением диаметра (см. рис. 1).
При продолжении процесса вытяжки уменьшается диаметр кромки А при втягивании ее под прижим 2, что приведет к появлению гофр и затем трещин на свободном (не под прижимом) участке фланца Б. Опытным путем установлено, что при диаметре первого перехода меньше 1,15 Осф
усиливается тенденция к гофрообразованию под радиусным прижимом второго перехода, поскольку уменьшается плоский участок В, а при диа-
метре первого перехода dl больше 1,25 Dсф количество втянутого в матрицу металла будет недостаточно для последующего набора.
В третьем переходе штамповка ведется с радиусным прижимом по дну цилиндра второго перехода. Перетяжка стенки второго в стенку третьего перехода прекращается в тот момент, когда высота оставшейся стенки второго перехода будет составлять (0,9...0,95)z, где z - расстояние между плоскостью фланца, обращенной к цилиндрической части, и плоскостью, параллельной фланцу, и проведенной через линию пересечения проекции контура готового днища и цилиндрической стенки полуфабриката второго перехода (см. рис. 3). Установлено, что в случае, если эта высота будет больше 0,95 z, наружный радиус второго перехода R будет лежать настолько близко к дну калибровочной матрицы, что в начале процесса калибровки упрется в дно матрицы и затруднит скольжение и обтяжку материала по пуансону, что вызовет смятие ступени и вследствие этого гофрообразование. Уменьшение высоты оставшейся стенки второго перевода приведет к увеличению широтных деформаций растяжения при калибровке на внутреннем радиусе D второй ступени и повышению вероятности разрывов при калибровке вхолодную.
_
-/Б
- -О ? 1 "чу"- В £
01] 53
Рис. 3. Полуфабрикат II перехода вытяжки. Отжиг при T = 600° C в течение 1 часа
Рис. 4. Полуфабрикат III перехода вытяжки
Рис. 5. Полуфабрикат IV перехода вытяжки
Рис. 6. Полуфабрикат V перехода вытяжки
Рис. 7. Полуфабрикат VI перехода вытяжки. Отжиг при T = 600° C в течение 1 часа
Рис. 8. Полуфабрикат после калибровки обтяжкой
Экспериментально установлено, что если высота оставшейся части по диаметру второго перехода лежит в интервале (0,95...0,9) г при калибровке в холодную, то не происходит гофрообразования и мала вероятность разрывов.
Рис. 9. Схема II перехода вытяжки: 1 - матрица; 2 - прижим; 3 - пуансон
Схема V перехода
Рис. 10. Схема V перехода вытяжки
В оставшихся переходах ступенчатого набора максимальное приближение ступенчатого контура к полусфере, что равнозначно для оставшихся переходов максимальному углублению ступеней, достигают тем, что вытяжку очередного перехода ведут до тех пор, пока цилиндрический участок стенки предыдущего перехода полностью не перетянется в стенку последующего так, что верхний выпуклый г и нижний вогнутый Г2 радиусы перетягиваемой стенки начнут сопрягаться (см. рис. 6). При этом высота цилиндрического участка каждой новой вытянутой стенки получается меньшей, чем у предыдущей, и через 2 - 3 перехода цилиндрический участок полностью исчезает. На этом процесс получения ступенчатого по-
луфабриката считается законченным, а калибровку производят пуансоном в глухую матрицу с прижимом фланца, а окончательную калибровку -взрывом.
Работа выполнена по государственным контрактам в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и грантам РФФИ.
Список литературы
1. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1968. 283 с.
2. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 192 с.
3. Яковлев С.С., Трегубов В.И. Теория и технология изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения из высокопрочных анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева.
2011. 232с.
4. Яковлев С.С., Ремнев К.С., Трегубов В.И. Технологические рекомендации по проектированию технологических процессов глубокой вытяжки полусферических днищ // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки.
2012. Вып. 4. С. 130-134.
S.S. Yakovlev, K.S. Remnev, V.I. Tregubov
TECHNOLOGICAL PROCESSES OF COLD PUNCHING OF THE HEMISPHERICAL THIN-WALLED BOTTOMS OF THE TITANIC ALLOY
The new technological process of manufacturing of the hemispherical bottoms of high-strength titanic alloys by methods of a deep extract are provided.
Key words: anisotropy, technological process, titanic alloy, hemispherical bottom, deformation, extract, force, destruction.
Получено 19.06.12
