CC BY
41
Анализ графических зависимостей (рис. 2) и результатов расчетов показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона Vj , коэффициента трения на контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки д и относителной величины давления прижима q величина относительной силы Р возрастает.
Библиографический список
1. Яковлев С.П. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев [и др.]. - М: Машиностроение-1, Изд-во ТулГУ, 2004. - 427 с.
2. Яковлев С.П. Обработка давлением анизотропных материалов / С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, В.А. Анддейченко. - Кишинев: Квант, 1997. -330 с.
3. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке / В.П. Романовский. - Л.: Машиностроение, 1979. - 520 с.
Получено 17.01.08.
УДК 621.983
Е.Ю. Поликарпов (Кооолев, ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П.Королева»)
ТЕХНОЛОГИЯ МНОГООПЕРАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ТОНКОСТЕННЫХ ДНИЩ
Предложен новый технологический процесс изготовления полусферических тонкостенных днищ из титанового сплава ПТ-3В кт.
В последнее время сплавы на основе титана все шире применяются в изделях, работающих при ккиогенных температтрах. Одним из перспективных титановых сплавов для работы пи низких температурах является сплав ПТ-3Вкт, содержащий в качестве легирующих компонентов алюминий и ванадий.
Получение дншц с геометрическими соотношениями s/D <0,003 и Н/D = 0,5 из труднодеформируемых сплавов представляется весьма сложной технологической задачей и в настоощее время часто решается точением из заготовок, изготовленных методом объемной штамповки. Однако трудоемкость механической обработки очень высока, а коэффициент использования метала очень мал. Наиболее приемлемым способом изготовления по-лycфeличecклх тонкостенных заготовок из титана будет штамповка из листовой заготовки с поледующим химическим фрезееованием [1 - 3].
Штамповка крупногабаритных деталей (О >1000 мм) с подогревом требует дорогостоящего нагревательного устройства в штампе, при этом значительно повышается зонаьное утонение дншца, что неизбежно вызовет необходимость увеличения толщины заготовки, снижения коэффициента использования материма (КИМ) и увеличения массы изделия [3].
Только метод ступенчатого набора с после дующей калибровкой позволяет штамповать титан вхолодную, избежав всех вышеукаанных недостатков. Сущность метода заключается в последовательной цилиндрической вытяжке со средним коэффициентом вытяжки Ш^ср =0,8 с межопе-
рационными отжигами, обтяжкой по пуансону и каибровкой взрывом.
На пеевой опееации осуществляется обычна вытяжка цилиндрического стакана с диаметром, равным диаметру первой ступени (максимаь-ный диамет). За каждую последующую операцию вытяжки осуществляется получение цилиндрического участка с диаметром, равным диаметру следующей ступени. При этом одновременно уменьшается высота цилиндрического участка, полученного на предыдущем пeреxoде, до заданного значения. При правил ном расчете рам еров заготовки на последней oпeрaции вытяжки получают последнюю ступень с заданными диаметраьными ра-мерами и высотой.
Использование этого метода при обработке титановых сплавов имеет еле дующие особенности (рис. 1).
Рис. 1. Эскизы полуфабрикатов по операциям вытяжки
1. Вытяжку цилиндрического станка в первой операции осуществляют до полного исчезновения фланца на диаметр, равный (1,15 - 1,25)
О
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, чтобы1 высота оставшейся стенки второго пееехода 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 вытяивания фланца из-под прижима, причем степени расправляются не полностью.
Каибровка взрывом ведется в два подрыва с промежуточным отжигом, причем в первом подрыве фланец зажат максимаьным давлением гидрозажимов с силой 2000 кН и происходит окончательное раглажива-ние ступеней, а во втором - втягивание недостающего метала из-под фланца.
У отштампованной полусферы: отрезается фланец и вырезается отверстие 0 350 мм в дне (рис. 2). Затем детаь проходит операцию химического фрeзeрoвaния.
Первоначаьно из-за отсутствия титанового листа шириной до 2000 мм штамповка велась из свааной заготовки, причем сам ступенчатый набор проводился вхолодную на пресс УЗТМ с силой 10000 кН, а обтяжка по пуансону в сфееическую матрицу - с подогревом в печи при Т = 900 °С.
Рис. 2. Эскиз полуфабриката перед операцией химического
фрезерования
Несмотря на то, что штамп для каибровки имел пуансон, набранный из текстолитовых колец, и текстолитовый прижим, заготовка при переносе из печи и укладки в штамп подстываа до Т =400 - 450 °Си в результате метал выходил из температурного интервала хорошей пластичности (рис. 3). Как следствие, большинство заготовок рарываось по сварному шву, и брак достига 90 %.
140 120 100 80 60 40 20 0
-269-253-196
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 Т,°С
I___I___I___I___■__■___I ■___I__I___■_
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Т, К
Рис. 3. Зависимости изменения механических характеристик (ъв, ао,2 и 8) от температуры обработки
Хотя существовала принципиальная возможность изготовления годной детяи из сварной заготовки в изотермических условиях при наи-чии штампа с подогревом, основные усилия были направлены на получение широкого листа и они увенчались успехом. Изготовлен лист из сплава ПТ-3Вкт рам ером 2000 х2000 х3,5 мм. Титановый спав ПТ-3Вкт содержит в своем составе следующие легирующие элементы (в % массы): А1 = 3,8, V = 1,4, С = 0,08, N2 = 0,04, Бе = 0,07, = 0,02, 02= 0,13 и имеет сле-
дующие характеристики: условный предел текучести а0,2 =630 -730 МПа ,
временное сопротивление сгв = 660 -760 МПа, относительное удлинение после рарыва 8 = 21 %; относительное равномерное удлинения Ър =7,65 %.
Выполнены исследования кристаллографической текстуры листа в исходном состоянии как важного покаателя анизотропии листа и штам-пуемости. Кроме того, дефекты, возникающие при штамповке и окончательные свойства днища, имеют непосредственную связь с изменением текстуры при формообраовании и отжигах. Исследование текстуры проводилось рентгеновским методом с помощью анаша прямых и обратных полюсных фигур, полученных в результате съемок «на отражение».
Съемка дифрактограмм для пocтрoeния полюсных фигуу производилась на аппарате ДРОН-0,5 в отфильтрованном медном излучении с применением дифференциаьной дискриминации. Для съемок была использована текстурна приставка ГП-2, а доя увеличения числа зерен участвующих в отражении, использовалась вoзвлатнo-пocтyпатeльнoe движение образца, которое пред смотрено в приставке ГП-2.
Известно, что наиболее благоприятной для вытяжки текстурой листа является базисна текстура (0001) [1010] или близка 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 повелхности листа; ПН - поперечное направление относительно направления прокатки). Проведенные механические испытания показали, что така тексттра обеспечивает коэффициент нормаьной пластической анизотропии Я = 2 - 3 и практически изотропное состояние в плоскости листа.
Опыт штамповки нового листа ПТ-3Вкт покаа, что, несмотря на принципиаьную велность выбранной технологической схемы, процесс был нестабилен. Высокий процент брака (до 25 %) из-за образования микротте-щинна внешних радиусах пелвой и второй операции, а также на внутренней поверхности полусферы после каибровки требова проведения исследований для выявления и устранение причин образования рарывов и дальнейшей отработки технологического процесса. Исследования велись в направлении установления оптимальной температуры отжига, борьбы с гаонасы-щенным слоем и анаиза изменения текстуры в процессе деформирования и при отжигах (истории деформации по участкам).
Отжиг, снимающий нагартовку, приводит к образованию на поверхности титана так наываемого га она сыщ енного слоя, имеющего повышенную твеедость и хрупкость. Как правило, гаонасыщенный слой мог являться причиной обраования микротрешин.
Исследования на обрацах для определения глубины гаонасыщен-ного слоо методом замера твелдости и исследования мшфоструктууы после травления покааи, что рекристализационный 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 детаи в нехимфрезелуемой зоне Ті (рис. 2).
В то же время отжиг при Т =650 °С в течение 5 часов, как покаали исследования, формирует гаонасыщенный слой на глубину не более 10 мкм (0,1 мм), что вполне приемлемо при 4 - 5 межопелационных отжигах по 1 часу, которые проходя ступенчатый полуфабрикат до каибровки.
Паааллельно проводились исследования влияния отжигов на текстуру листа. Отжиги обрацов исследованного сплава проводились в вак-умной трубчатой печи при температтре 650 °С; при этой температуре достаточно активно развиваются рекристаллизационные процессы.
Выполнены исследования текстуры в зависимости от длительности отжига х при укзанной темпелатуре. После рeфиcтализaциoннoго 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 лета, ПН - поперечно направление относительно направления прокатк). Отжиг в течение 2 часов при 650 °С практическ не меняет тексттру рекистализации сплава ПТ-3Вкт. Однако уже трехчасовой отжиг приводит к появлению "фетьей компоненты текстуры рекристаллизации (0001)±20° НН-НП [1010]. Дальнейшее же увеличение длтельноти отжига до 6 - 7 часов ведет к формированию единственной компоненты (0001) [1010], т.е. исчезают ориентировки, неблго-приягные для штампуемости.
Такой характер изменения текстуры ркристализации может быть объяснен следующим оббазом. Как и в сплавах титана, соделжащлх более 2 % алюминия, в листах сплваПТ-ЗВк после отжига при температурах, близких к температуре начал рккистализации, оновной компонентой текстуры является ориенттровка (0001) [1010]. При небольших длтелносгях отжига наряд с ней присутствуют и другие компоненты, которые, однако, не "выживают" в процессе конкретного роста зерен.
Подобные особенности развития текстуры рекистализаїціи наблюдались и для других металлов и сплавов [4]. Объяснение состоит в том, что подвижноть границ зелен зависит не толко от разориентацли соседних зерен, ооиентации самой границы относительно кисталчеких решеток этих зерен, но и от вида и количества примесей и легирующих элементов.
Таким образом, при увеличении длтелноти отж и а при температуре 650 °С в летах сплава ПТ-ЗВк наблюдаются изменения текстуры, спообст-вующле усилению благоприятных для штампуемости ориентировок. Проведенные исследования позволили сделать выбор температуры межоперацлон-ных отжигов, равной 650 °С в течение часа. Эта темпелаттра при неодаокат-ных отжигах формирует благоприятную для штампуемости текстууу 0001 [1010] и создает незначителный по гаубине газонасыщенный слой повышенной твердости и ххупкосы, который снимается операцией травления без риска выйти за минусовой допуск по толщине в нехлмфрезерованной зоне Т1 (рис. 2). Как поклали замеры твердостт на образцах, вырезанных из прокатанных на заводе «Запорожсталъ» листов, метал в состоянии поставки, несмотря на шлифовк поверхности, также имеет гаонасыщенный слой. Поэтому, помимо травления заготовки перед обттжкой по пуансону, введена до-полнителная операция травления лстов в исходном состоонии. Необходимо отметить, что решение о глубине тъавления заготовки или ступенчатого по-луфабрикта перед обтяжкой принимается индивидуально по кждой заготовке на основании данных измеления толщины ультразвуковым толщиномером «Каипер-204» по схеме, введенной в технологический паспорт детаи, и глубины газонасыщенного слоя на образца-свидетелях и, как правило, не превышает 0,1 мм за один раз.
Таким образом, по резултатам выполенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Метод ступенчатого набора с последующей обтяжкой по пуансону и калибровкой взрывом позволяет штамповать полусферические дншцт диаметром больше 1000 мм из труд но деформируемых титановых сплавов вхолодную с зонаьным утонением не больше 15 % от исходной толщины метала.
2. Неоднократный межоперационный отжиг при температууе 650 °С по 1 часу формирует в листе титанового сплава ПТ-3Вкт текстуру (0001) [1010], благоприятную доя штампуемости, и создает суммарную толцдну гаонасыщенного слоя не более 0,1 мм, что позволяет принять эту темпертуру как от'имаьную.
3. Для снижения вероятности обраования микротрещин, которые могут быть причиной брака, обязательно введение операции травления листа сплава ПТ-3Вкт перед первой операцией и ступенчатого полуфабриката перед калибровкой, причем глубина травлення должна определяться для каждой заготовки индивидуально после замера толщины заготовки и исследования глубины гаонасыщенного слоя на оббацах-свидетелях.
4. Причиной обраования микротрещин на повеехности ступенчатого полуфабриката может также являться исчерпание ресурса пластичности в раличных зонах при вытяжке, обтяжке и каибровке взрывом [5, 6].
Библиографический список
1. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ / Э.Л. Мельников. -М: Машиностроение, 1976. - 350 с.
2. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки / Е.А. Попов. -М.: Машиностроение, 1968. - 283 с.
3. Яковлев С.П. Изотермическое дeфoрмирoвaние высокопрочных анизотропных матееиалов / С.П. Яковлев [и др.]. - М.: Машиностроение, 2004. - 427 с.
4. Адамеску Р.А. Анизотропия физически свойств металлов / Р.А. Адамеску, П.В. Гельд, Е.А. Митюшков. - М.: Металургая, 1985.-136 с.
5. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением / В.Л. Колмогоров. - Екатеринбург: УГТУ, 2001. - 836 с.
6. Богатов А.А. Механические свойства и модели рарушения ме-талов / А.А. Богатов. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. - 329 с.
Получено 17.01.08.
