CC BY
30
УДК 539.374.4; 621.983
УПРАВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ ГАЗОВОЙ ФОРМОВКЕ В УСЛОВИЯХ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ РАЗНОТОЛЩИННОСТИ
Я.А. Соболев, И.С. Петухов, А.В Мендохов
Приведены результаты теоретических и экспериментальных работ по формообразованию газом сферических оболочек в условиях сверхпластичности титанового сплава.
Ключевые слова: давление, высокопрочный материал, сверхпластичность, пнев-моформовка, переменное температурное поле, титановый сплав, напряженное состояние.
В современной космической технике широко применяются титановые сферические баки, выполненные сваркой из двух штампованных полусфер. Прогрессивным способов получения штамповок является газовая формовка в состоянии сверхпластичности [1]. При этом возникает проблема разнотолщинности и локального утонения получаемой штамповки.
Существующие методы снижения разнотолщинности основаны на предварительной или реверсивной формовке [4], предварительной механической обработке заготовки и т.п. [8].
Анализ реологических свойств сверхпластичного титанового сплава ВТ23 показал значительную зависимость напряжений течения металла от температуры в области высокой деформационной способности. На рис.1. видно, что в диапазоне сверхпластичности материала от 750 до 860 °С напряжение течения изменяется значительно от 1,4 до 0,69 кгс/мм2 при скорости деформаций 10...3 с-1. Следовательно, создавая переменное температурное поле в заготовке, напряжения течения металла и, соответственно, деформации будут разными. Для торможения деформации в центре температура там должна быть ниже, чем на краях заготовки. Такое распределения температуры обеспечивается на этапе нагрева заготовки регулированием мощности нагревателя по зонам нагрева и установкой стоков тепла, которые замедляют прогрев заготовки. Эти два фактора позволяют задавать температурное поле заготовки в широких пределах в интервале сверхпластичности металла.
Апробирование способа проводилось на крупногабаритной оснастке при изготовлении сферических штамповок ф576 мм (рис. 2). Была изменена конструкция штампа, в верхней части которого установлена платформа 3 с дополнительными массами-стоками тепла 1. Платформа располагалась в непосредственном контакте с заготовкой 2 для эффективного отвода тепла. Оснастка помещалась на подставку 5 (рис. 3.) в кольцевой трехзонный ни-хромовый нагреватель 3 диаметром 1800 мм мощностью 200 кВт. Сверху устанавливалась проставка 2, на которую передавалось усилие зажима заготовки 6 в штампе от водоохлаждаемого штока 1 пресса усилием 2000 кН.
185
Вся конструкция размещалась в вакуумной камере объемом 7 м3, где поддерживалось разряжение 0,001 Па, обеспечивая надежную защиту титана от окисления. Формообразующий газ аргон подавался в верхнюю часть штампа.
700 750 800 850 900
Температура, °С
^^»Напряжение течения, кгс/мм2 ^^ИОтн. Удлинение, %
Рис. 1. Зависимость напряжения течения и относительного удлинения от температуры титанового сплава ВТ23 (скорость деформации 10~3 с1)
Полагаем, что основной нагрев штамповой оснастки свыше 700 °С происходит за счет излучения от нихромовых нагревателей. Кроме того, штамп излучает тепло на заготовку и стоки тепла, поэтому тепловой баланс штампа выглядит следующим образом:
^Рщгампа * ^ — Чз —4 * ^ штампа * — 44-6 * ^заготовки 44-7 *
^ ^теплоотвода ^ ^ Ч 4-6 ^ ^^контакта4-6 ^ ^Т 44-2 ^ ^^контакта4-2 ^ ^Т — 44-5 Х дРконтакта4-5 X дт = С4 X Ц1шт X (t — t )
где т - время нагрева, с; С4 - удельная теплоемкость материала штампа, Дж/кг*К; тшт - масса штампа, кг; t" - конечная температура штампа; t' -начальная температура штампа.
Рис.2. Схема штамповой оснастки: 1 - стоки тепла; 2 - заготовка; 3 - платформа; 4 - штамп
186
Рис. 3. Расчетная схема нагрева оснастки и заготовки: 1 - шток; 2 - проставка; 3 - нагреватели; 4 - штамп; 5 - подставка;
6 - заготовка; 7 - теплоотвод
Плотность теплового потока излучением определяется по формуле
Чпз.п —
4 , ГТ, , 41
(—) " ("-)
4100/ 4100/
где Т1 - текущее значение температуры излучающей поверхности, К;Т2 -текущее значение температуры воспринимающей поверхности, К;Спр-приве-денный коэффициент лучеиспускания, Вт/м2К4.
Плотность теплового потока, передаваемого теплопроводностью в нестационарном режиме,
= Я Х Ш '
\Ш1/ пов
где X - коэффициент теплопроводности, Вт/м* К; п - нормаль к поверхности тела, линейная составляющая; 1 - температура поверхности. Плотность теплового потока на штамп и заготовку
Яп = 15182 Вт/м2-Нагрев заготовки происходит за счет излучения от штампа и теплопроводности в месте контакта и штампа на фланцах, при этом тепло от заготовки передается на теплоотвод теплопроводностью, поэтому тепловой баланс заготовки выглядит следующим образом:
^заготовки ^ ^ Ч4—6 ^ ^заг Ч 4-5 ^ ^РконтактаА-6 ^ Чб—7 ^ ^^контактав-7 ^ ^
= с6 х шзаг х (Г - /:') Я4-б. Яб-7. я'4-б -плотность теплового потока на заготовку, от заготовки к теп-лоотводу , плотность теплового потока от штампа к заготовке в месте их контакта, Вт/м2 ,Рзаг - площадь заготовки воспринимающая излучение, м2, РКонтакта4б - площадь контактной поверхности между заготовкой и штампом,
187
м2; об - удельная теплоемкость заготовки, Дж/кг*К, t'' - конечная температура заготовки, 0Qt' - начальная температура заготовки,0С.
При расчете теплового баланса не учитывается воздействие температуры рабочего газа и его конвекционное воздействие, также качество и шероховатость поверхностей.
Для проверки аналитических зависимостей определяли распределение температуры по поверхности заготовки на разных этапах нагрева. Схема установки термопар хромель-алюмель показана на рис. 4. Результаты измерений фиксировалась приборами ТРМ 251, программой Owen process manager и представлены на рис.5. Подтверждается значительное отставание прогрева заготовки при наличии стока тепла. Сток тепла Ф200 мм имеет массу 35,4 кг и установлен на платформе 3 (см. рис. 2).
Рис. 4. Расположение термопар в штампе
Разница температур в месте контакта со стоками тепла и без них сокращается при продолжении нагрева. Важно процесс формообразования газом начинать при достижении необходимого температурного поля.
870 845 и 820
о
¿795 й 770
Q. Ш
¡ 745 ш
720 695 670
—&№— -&50— —850— —&5G— 850
809,0 818,8 . СМ 11Q
795,4
772,0 I / 785,0
745,5 ,^>746,00 ^•"^64,2
713,69 ■: ^^ззГо
4:30
4:45
5:15
5:30
5:00 Время,ч
♦ Штамп (снаружи) Ш Заготовка центр Заготовка ф540
Рис. 5. Распределение температуры на заготовке со стоками тепла
188
Для определения напряжений течения в заготовке проведено моделирование процесса 6 часов нагрева решением нелинейной задачи в программе АЬаяиБ для условий сверхпластичности материала ВТ23 (зависимость пластичности от температуры) с заданием контактов по теплопроводности и излучению [3]. В результате получено температурное поле заготовки, рассчитаны напряжения течения (рис. 6). Проведенный анализ сходимости результатов моделирования методом конечных элементов с экспериментальными данными показал совпадение порядка 15 %, что объясняется большим количеством факторов, влияющих на прогрев заготовки в крупногабаритной оснастке (высокая инертность нагрева, различные типы поверхностей по шероховатости и отражению, дегазация элементов системы нагрева и т.д.).
ос 5;
х 136 си
эе
К „ ч .
О.
С
^ с 'а П1 зн зн и* и? Ш 7» ш
V мм
Рис. 6. Напряжение течения в заготовке при нагреве
На основе проведенных исследований изготовлены экспериментальные полусферы Ф576 мм из титановой листовой заготовки ВТ23 толщиной 3, 6 мм на установке СДДС-2. Распределение толщины представлено на (рис. 7).
Рис. 7. Распределение толщины металла после газовой формовки
189
Исходной заготовкой был круг диаметром 750 мм и толщиной 3, 6 мм. Распределение толщины после газовой формовки представлено на рис. 6. В результате оптимизации технологии масса полусфер снизилась на 15 %.
Выводы
1. Существенная зависимость напряжения течения титанового сплава ВТ23 от температуры в интервале сверхпластичности позволяет управлять деформационными процессами в заготовке путем изменения её температурного поля.
2. Управление деформационными процессами через изменение температуры реализуется за счет мощного внешнего теплового воздействия на штамповую оснастку и стоков тепла на поверхности заготовки внутри оснастки.
3. Технология обеспечивает равномерность толщины изделия в пределах 20 %, что соответствует требованиями листовой штамповки.
Список литературы
1. Соболев Я. А., Петухов И.С., Вязкопластическое формообразование полусферических оболочек газом // Известия МГТУ "МАМИ" 2013. Т. 2. №2. С. 67 - 71.
2. Соболев Я.А., Петухов И.С. Метод управления деформированием листовой заготовки из титанового сплава путем изменения ее температурного поля // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. № 11. Ч. 1. С. 247 - 252.
3. Бузлаев Д.В., Соболев Я.А. Разработка кэ-модели процесса газовой формовки в условиях неравномерного нагрева // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2017. № 9. С. 16 - 22.
4. Н.А. Маркачёв, К.И. Михалевский, Я.А. Соболев, К.Я. Савинкова Баллоны высокого давления и топливные баки из титанового сплава для космических аппаратов. Совершенствование технологии изготовления. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2017. № 4 (38). С. 171 - 176.
5. Чудин В.Н., Соболев Я.А. Формообразование газом оболочек емкостей // Технология машиностроения. 2015. 4. С. 18 - 20.
6. Экспериментальные исследования операции изотермической пнев-моформовки куполообразных деталей / С.Н. Ларин, С.С. Яковлев, В.И. Платонов, Я.А. Соболев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. № 12. Ч. 2. С. 321 - 325.
7. Математическая модель изотермического деформирования куполообразных оболочек из анизотропных материалов в режиме ползучести / С.Н. Ларин, С.С. Яковлев, В.И. Платонов, Я.А. Соболев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. № 3. С.168 - 174.
8. SPF - Superplastic Forming [Электронный ресурс] URL: http://www.formtech.de/en/en-spf.htm (дата обращения: 10.05.2019).
Соболев Яков Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, yasoboloev@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петухов Иван Сергеевич, ст. преподаватель, ivanpetukhovs@yandex.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Мендохов Астемир Валерьевич, аспирант, amendoxovamail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
THE CONTROL OF DEFORMATION PROCESSES TO REDUCE THE THICKNESS OF GAS UNDER SUPERPLASTIC CONDITIONS
Y.A. Sobolev, I.S. Petukhov, A. V. Mendokhov
The results of theoretical and experimental work on the formation of spherical shellstanks by gas under conditions of superplasticity of titanium alloy are Presented.
Key words: pressure, high-strength material, superplasticity, pneumotropica, variable temperature field, titanium alloy stress state.
Sobolev Yakov Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, yasobol-oev@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petukhov Ivan Sergeevich, senior lecturer, ivanpetukhovs@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Mendokhov Astemir Valerievich, postgraduate, amendoxova mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 620.172.2
УПРОЧНЕНИЕ ВАЛОВ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Д.В. Хван, А. А. Воропаев
На основе модели анизотропно упрочняющегося тела Г.Бакхауза рассматривается способ упрочнения валов пластическим продольным растяжением (сжатием) заготовок последних. Расчетные и опытные данные свидетельствуют о возможности увеличения основной характеристики прочности - условного предела текучести на сдвиг ~ на 50 % относительно исходного предела текучести. Предложенный способ упрочнения может быть эффективно использован для повышения несущей способности валов, работающих в агрессивных средах, которые изготовляются, как правило, из термически неупрочняемых нержавеющих сталей аустенитного класса.
Ключевые слова: предел текучести, анизотропное упрочнение, девиатор напряжений, интенсивность напряжений, эффект Баушингера, наследственная функция, кручение, растяжение (сжатие), крутящий момент, приращения пластических деформаций.
В оборудовании машиностроения, основными несущими элементами которых являются детали типа валов, последние в силу производственной необходимости нередко работают в агрессивных средах (кислота, соляные растворы и др.). Поэтому они изготовляются обычно из термически
