CC BY
144
УДК 621.983; 539.374
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор, (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)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Приведен технологический процесс изготовления полусферических деталей из титанового сплава методами ступенчатой вытяжки.
Ключевые слова: технология, вытяжка, отжиг, деформирование, штамповка, лист, заготовка, степень деформации, коэффициент вытяжки.
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 s/D < 0,003 и Н/D = 0,5 из труднодеформируемых сплавов представляется весьма трудной 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 (D >1000 мм) с подогревом требует дорогостоящего нагревательного устройства в штампе, и при этом значительно повышается зональное утонение днища, что неизбежно вызовет необходимость увеличения толщины заготовки, снижения коэффициента использования материала (КИМ) и увеличения массы изделия [3].
Метод ступенчатого набора с последующей калибровкой позволяет штамповать титан вхолодную, избежав всех вышеуказанных недостатков. Сущность метода заключается в последовательной вытяжке со средним коэффициентом вытяжки mdcp = 0,8 с межоперационными отжигами, обтяжкой по пуансону и калибровкой взрывом [4].
На первой операции осуществляется обычная вытяжка цилиндрического стакана с диаметром, равным диаметру первой ступени (максимальный диаметр). За каждую последующую операцию вытяжки осуществляется
185
получение цилиндрического участка с диаметром, равным диаметру следующей ступени. При этом одновременно уменьшается высота цилиндрического 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. В предварительных операциях набор металла осуществляется не полностью (для сферических днищ - около 95 %). Недостающее количество металла в наборе восполняется в процессе окончательной вытяжки дотяжкой из фланца.
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. Затем деталь проходит операцию химического фрезерования.
Используется лист из сплава ПТ-3Вкт размером 2000 х 2000 х 3,5 мм. Титановый сплав ПТ-3Вкт имеет следующие характеристики: условный предел текучести а02 = 630...730 МПа, временное сопротивление
ав = 660...760 МПа, относительное удлинение после разрыва 8 = 21 %; относительное равномерное удлинение 8 р = 7,65 %.
Многооперационная вытяжка (ступенчатый набор) проводится вхолодную на пресс УЗТМ с силой 10 МН. Полусферические тонкостенные днища из листов титанового сплава ПТ-3Вкт представлены на рис. 2.
Рис. 2. Полусферические тонкостенные днища из листов титанового сплава ПТ-3Вкт
Выполнены исследования кристаллографической текстуры листа в исходном состоянии как важный показатель 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 ДР0Н-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, использовалось 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 R = 2...3 (трансверсально-изотропный материал).
Опыт штамповки титанового сплава 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 операций, 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 установления 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 титана так называемого газонасыщенного слоя, имеющего повышенную твердость и хрупкость. Как правило, газонасыщенный слой является причиной образования микротрещин.
Исследования на образцах для определения глубины газонасыщенного слоя методом замера твердости и микроструктуры после травления показали, что рекристаллизационный отжиг при T = 800, 850, 900 °С формирует газонасыщенный слой от 0,2 до 0,5 мм глубиной при отжиге в течение 1 часа. В то же время отжиг при T =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 проходит 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.
Выполнены исследования текстуры в зависимости от длительности отжига т при указанной температуре. После рекристаллизациинного 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 увеличение длительности отжига до 6...7 часов ведет к формированию единственной компоненты (0001) [1010], т.е. исчезают ориентировки, неблагоприятные для штампуемости.
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 [5]. 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.
Установлено, что 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. Как показали замеры твердости на образцах, вырезанных из прокатанных 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 тол-
щины 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.
Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие 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 - 7].
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. 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. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
4. Яковлев С.С., Трегубов В.И. Теория и технология изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения из высокопрочных анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 232с.
5. Адамеску Р.А., Гельд П.В., Митюшков Е.А. Анизотропия физических свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136 с.
190
6. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 836 с.
7. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 329 с.
S.S. Yakovlev, V.D. Kuhar, K.S. Remnev
THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF HEMISPHERICAL DETAILS PRODUCING
The technological process of hemispherical details producing from titanium alloy by the method of multistage drawing is shown.
Key words: technology, drawing, annealing, deforming, stamping, sheet, piece, deformation level, drawing coefficient.
Получено 15.01.12
УДК 621.983; 539.974
А.В. Черняев, д-р техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
A.А. Перепелкин, асп., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
B.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Москва, МИИТ)
ГОРЯЧЕЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ВНУТРЕННИХ КОНЦЕВЫХ УТОЛЩЕНИЙ НА КОРПУСАХ
Предложены расчеты параметров выдавливания утолщений на корпусе при вязкопластическом деформировании. Использован энергетический метод обработки давлением применительно к разрывному полю скоростей перемещений при осесимметричном деформировании.
Ключевые слова: выдавливание, вязкость, кратковременная ползучесть, давление, температура, повреждаемость.
Корпуса из высокопрочных металлических сплавов и полимеров применяют в ряде изделий оборонной техники. Один из типов конструкций имеет утолщенную концевую часть на одном или обоих краевых диаметрах для соединения с другими элементами изделия. Рациональной технологией формообразования такого утолщения является выдавливание с местным нагревом на гидропрессовом оборудовании [1]. Отметим, что набор концевых утолщений выдавливанием может быть совмещен с другими операциями, например, с обжимом цилиндрической трубы на конус или
191
