CC BY
28
УДК 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,
mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44,
[email protected] (Россия, Москва, МИИТ)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫХ ЗАКРЫТЫХ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведены схемы и технологические режимы изготовления четырехслойных закрытых корпусных конструкций из высокопрочных листовых материалов.
Ключевые слова: анизотропный материал, деформирование, сварка, давление, температура, конструкция, обшивка, заполнитель.
Четырехслойные закрытые корпусные конструкции используют для "сухих" корпусов изделий, крыльев, обтекателей и т.д. При высокой несущей способности панели имеют относительно малую массу и равнопроч-ность при нагружении [1, 2]. Четырехслойные корпусные конструкции являются наиболее универсальными, так как обладают равнопрочностью в окружном и осевом направлениях, конструктивно это два листа (обшивки), соединенные поперечным набором (заполнителем) между собой. Разнесенные обшивки позволяют увеличивать предельные нагрузки и, следовательно, лучше противостоять продольному и поперечному изгибам.
Заполнитель к тому же является подкреплением корпуса при радиальном сжатии, что необходимо в среде гидростатического давления. Традиционные конструкции - фрезерованные вафельного типа или подкрепленные стрингерно-шпангоутным набором - не достигают необходимой удельной прочности (отношение предельной нагрузки к массе конструкции). В этой связи предложенный тип конструкции корпусов решает задачу обеспечения прочности и трудоемкости производства. Обычно корпуса изделий изготавливают из алюминиевых высокопрочных термоупрочняе-мых сплавов типа 1201, 1911, крылья или особо тяжело нагруженные элементы - из титановых сплавов ВТ6, ВТ6С и ВТ14.
Корпусные четырехслойные панели в процессах изготовления базируются на операциях диффузионного соединения давлением газа и пнев-моформовки в заданных температурно-скоростных режимах. Теоретические и экспериментальные исследования [1, 2] дают возможность построения технологических процессов и расчета необходимых параметров обработки: давления, критических деформаций, скорости деформирования (времени деформирования). Порядок операций формообразования
панели и режимов приведен в таблице и проиллюстрирован на рис. 1.
Типовой технологический процесс изготовления четырехслойных панелей
№ п/п Операции Технологические режимы
Температура, ° С Давление, МПа Время, мин
1 Подготовка исходных заготовок (резка, обезжиривание, травление, промывка, сушка) По отдельным технологическим процессам
2 Нанесение антидиффузионного покрытия по трафарету на один из листов заполнителя. Вварка газоввода в заполнитель. Вариант для титановых и алюминиевых сплавов: сварка листов заполнителя электроннолучевой сваркой по требуемому рисунку ячеек То же
3 Установка сборки из четырех листов (заполнитель - 2 листа, обшивки - 2 листа) в оснастку и вакуумную пресс-камеру То же
4 Вакуумирование зазора между листами заполнителя. Нагрев 875...930 10-3 мм рт. ст. До 200
510...530 10-4 мм рт. ст.
5 Закрытие оснастки и герметизация ее полости по контуру давлением гидроцилиндра 875...930 510...530 12...15 0,1...0,2
6 Подача газа (аргона) в полости между заполнителем и обшивками до необходимого давления. Выдержка под давлением - диффузионная сварка заполнителя 875...930 3,5...4,5 30...45
510...530 2,5...3,5 20...30
7 Вакуумирование полостей между заполнителем и обшивками 875...930 10-3 мм рт. ст. 10...15
510...530 10- мм рт. ст.
8 Подача газа (аргона) между листами заполнителя - формообразование ячеек 875...930 1.1,5 15...20
510...530 0,8... 1,2
Окончание
№ п/п Операции Технологические режимы
Температура, ° С Давление, МПа Время, мин
9 Увеличение давления газа и проведение калибровки ячеек и диффузионной сварки с обшивками. Выдержка под давлением 875...930 3,5...4,5 30...45
510...530 2,5...3,5 20...30
10 Охлаждение при постепенном сбросе давления газа в проточном аргоне До 200 До 0 До 200
11 Охлаждение при выключенной вакуумной системе 70 - 100
12 Раскрытие камеры, оснастки, съем изделия. Подготовка к последующим операциям - - -
В таблице в числителе приведены значения технологических режимов для титановых сплавов, а в знаменателе - для алюминиевых сплавов.
Эскиз операции
антидиффуз ионное
№ позиции
Рис. 1. Порядок операций деформирования четырехслойных панелей
191
Подготовительные операции для титановых сплавов включают зачистку металлическими щетками, обезжиривание в чистом бензине, сушку и нанесение антидиффузионного покрытия на один из исходных листов двухслойного заполнителя. Заполнитель и разнесенные обшивки устанавливают в оснастку, вакуумируют и нагревают. Пленка окисла при этом растворяется. Под давлением газа, подаваемого на листы заполнителя (под обшивки), происходит диффузионное соединение листов заполнителя в местах, свободных от покрытия, т.е. в узких зонах контакта листов. При этом зазор между листами заполнителя вакуумируют до 10-3 мм рт. ст. или прокачивают аргон. Последующим действием подают газ под давлением между листами заполнителя, откачивая его из полости между заполнителем и обшивками. Под давлением газа листы выпучиваются в местах антидиффузионных покрытий, образуя ячейки заданной конфигурации.
Свободная формовка переходит в стадию заполнения углов с выдержкой во времени (10...15 мин). Ячейки смыкаются между собой по стенкам и с обшивками по торцам. Под давлением газа с выдержкой происходит диффузионная сварка и образование конструкции из четырех листов. Последующее охлаждение под давлением обеспечивает фиксацию геометрических размеров с точностью оснастки и не требует работ по пригонке контура обвода панели. Применяют более простой вариант технологии: диффузионную сварку листов заполнителя заменяют точечной сваркой плавлением, лучевой или роликовой прерывистой. Таким образом, предварительно сваренный заполнитель формуют (раздувают) газом до смыкания ячеек с обшивками и диффузионной сваркой на окончательном этапе формообразования.
Для изготовления конструкций из алюминиевых сплавов вариант сварки плавлением заполнителя предпочтителен, так как диффузионные соединения заполнителя по узким зонам не выдерживали растяжения при формообразовании ячеек. Перед формообразованием, т.е. после сварки плавлением, внешние поверхности заполнителя и внутренние обшивки травят в ионном разряде до удаления окисной пленки и напыляют медь толщиной 0,5 мкм. Последующие операции проводят в вакууме 2*10-4 мм рт. ст. по описанной схеме. Типовой график технологических давлений газа по ходу процесса сварки - формообразования - сварки четырехслойной ячеистой панели из листовых титановых и алюминиевых сплавов (ВТ14, 1911) толщиной 1 мм дан на рис. 2.
Опытно-промышленные образцы изделий прошли механические испытания на прочность зон соединений и испытания на предельные (разрушающие) нагрузки при сжатии. Металлографическому анализу подвергали основной материал и зоны диффузионных соединений. Установлено, что потери прочности материала нет. Более того, на позиции формообразования может быть термическое упрочнение материала. Размеры зерна практически не растут, на границах соединений образуется зона общих зе-
рен и прочность (предел прочности) материала в зонах сварки соответствует прочности основного материала. Следует отметить, что этого не достигается при штатных традиционных технологиях изготовления - сварки плавлением или пайки.
Опытно-промышленные образцы корпусных четырехслойных панелей представлены на рис. 3.
Рис. 2. Типовой график давления газа при сварке-формовке-сварке: кривая 1-титановый сплав ВТ14; кривая 2-алюминиевый сплав 1911
а
б
в
Рис. 3. Опытно-промышленные образцы панелей: а, б - элементы крыла из титанового сплава ВТ14; в - панель корпуса из алюминиевого сплава 1911
Металлография зон соединения для ряда алюминиевых и титановых сплавов приведена на рис. 4. Металлографический анализ структуры мате-
193
риалов проводился на микроскопе «Неофот-32». Металлографическим анализом установлено наличие сплошной зоны соединения с общими зернами. Прочность соединений была на уровне прочности материала.
а б в
Рис. 4. Металлография зон соединений: а, б - алюминиевые сплавы 1571 и АМг6; в - титановый сплав ВТ14
По сравнению с традиционными методами изготовления эти процессы дают следующие преимущества: повышение удельной прочности узлов изделий на 30...50 % за счет новых конструкций и технологий; снижение массы изделия на 20...30 %; повышение точности геометрии узлов в 3... 5 раза за счет ликвидации процессов сварки плавлением, клепки; сокращение количества входящих деталей в 5... 10 раз; снижение трудоемкости производства в 2... 3 раза за счет совмещения операций обработки и сокращения объема сборочных и доводочных работ.
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. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, В.Н. Чудин, Я.А. Соболев. М.: Машиностроение, 2004. 427с.
2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочны х листовых материалов / С.С. Яковлев, В.Н. Чудин, Я.А. Соболев, С.П. Яковлев, В.И. Трегубов, С.Н. Ларин. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
S. S. Yakovlev, S. N. Larin, V. N. Tchudin
TECHNOLOGICAL MODES OF MANUFACTURING OF THE FOUR-LAYER CLOSED CASE DESIGNS FROM HIGH-STRENGTH SHEET MATERIALS
Schemes and technological modes of manufacturing of the four-layer closed case designs from high-strength sheet materials are provided.
Key words: anisotropic material, deformation, welding, pressure, temperature, design, covering, filler.
Получено 20.07.12
