Магнитно-импульсная обработка деталей летательных аппаратов из труднодеформируемых материалов

УДК 621.77.044.7.011

МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫ1Х МАТЕРИАЛОВ

© 1999 В.А. Барвинок В.П. Самохвалов А.Н. Кирилин 2

1 Научно-исследовательский институт технологий и проблем качества, г. Самара 2 Государственный научно-производственный ракетно-космический центр

«ЦСКБ-Прогресс», г. Самара

В статье отмечено, что развитие машиностроения требует решения большого числа разнообразных задач, в числе которых одной из проблемных является задача интенсификации производства. Применительно к производству тонкостенных деталей ЛА методами листовой штамповки задача интенсификации должна одновременно решаться на двух уровнях.

1. Интенсификация способа обработки как схемы энергетического воздействия на полуфабрикат.

2. Интенсификация технологического процесса как единства способа обработки материала и технических средств его реализации.

Рассмотрены факторы, посредством которых можно интенсифицировать процесс. По направлению и характеру их воздействия их можно разделить на два класса.

1. Факторы, приводящие к изменению физико-механических свойств обрабатываемого металла (термическое, магнитно- и электроимпульсное воздействие и т.п.).

2. Факторы, изменяющие энергосиловую схему деформационного процесса (силовая интенсификация, совмещение операций, локальное нагружение, активное использование или, напротив, исключение действия сил контактного трения и т.д.).

Приведены результаты промышленного внедрения разработанных методов интенсификации штамповки труднодеформируемых материалов с помощью энергии ИМП.

Развитие машиностроения требует решения большого числа разнообразных задач, в числе которых одной из проблемных является задача интенсификации производства, т.е. минимизации величины приведенных затрат на изготовление продукции. Анализ выполненных в этой области работ показал, что интенсификация производства является многоплановой проблемой.

Применительно к производству деталей ЛА методами обработки металлов давлением, задача интенсификации должна одновременно решаться на двух уровнях.

1. Интенсификация способа обработки, как схемы энергетического воздействия на полуфабрикат.

2. Интенсификация технологического процесса, как единства способа обработки материала и технических средств его реализации.

На первом этапе задача решается на базе разработок или использования различных схем энергетического воздействия на полуфабрикат, с целью интенсификации процесса пластического течения металла путем создания условий для наиболее полной реализации им своих потенциальных возможностей к пластической

деформации. Факторы, посредством которых можно интенсифицировать процесс, по направлению и характеру их воздействия можно разделить на два класса.

1. Факторы, приводящие к изменению физико-механических свойств обрабатываемого металла (термическое, магнитно- и электроим-пульсное воздействие и т.п.).

2. Факторы, изменяющие энергосиловую схему деформационного процесса (силовая интенсификация, совмещение операций, локальное нагружение, активное использование или, напротив исключение действия сил контактного трения и т.д.).

Одной из разновидностей обработки металлов давлением является листовая штамповка, которая позволяет получать плоские и пространственные детали самых разнообразных размеров и конфигураций с высоким коэффициентом использования металла при заданной их прочности и жесткости, а также обеспечивает высокую производительность труда и низкую себестоимость деталей в условиях различной серийности производства.

В значительной степени поставленным требованиям отвечают процессы динамичес-

кого формообразования деталей, обладающие рядом существенных преимуществ по сравнению с квазистатическими процессами штамповки деталей.

Одной из наиболее перспективных технологий динамической штамповки деталей в настоящее время, как показала практика, является магнитно-импульсная обработка металлов (МИОМ), основанная на использовании больших электродинамических сил, возникающих в электропроводных материалах при взаимодействии внешнего импульсного магнитного поля с индуцированными им в материале вихревыми токами.

Одним из направлений интенсификации и расширения технологических возможностей МИОМ является обеспечение возможности обработки заготовок из материалов с низкой электропроводностью: коррозионностойких и специальных сталей, титановых сплавов и т.п., составляющих значительную часть номенклатуры тонколистовых и трубчатых деталей летательных аппаратов (до 10...20%) и других изделий машиностроительного производства. Вследствие сильной диффузии поля их обработка непосредственным воздействием ИМП возможна практически только при высоких частотах. При этом общий КПД процесса крайне низок, в связи с малой длительностью импульса давления, часто недостаточной для преодоления инерции заготовки. Эффективным средством интенсификации процессов магнитноимпульсной обработки этих материалов является штамповка с использованием передающих сред или технологических спутников.

Проведенные эксперименты подтверждают, что физико-механические свойства материала спутника, параметры его установки относительно заготовки определяют как кинематику деформационного процесса, так и характер ее взаимодействия с податливой оснасткой. В отличие от процессов магнитно-импульсной штамповки без спутников в рассматриваемом случае, при высокоскоростном взаимодействии оснастки и системы спутник-заготовка, упругая продольная волна сжатия, распространяющаяся от поверхности контакта заготовки с оснасткой, проходит по границе двух сред заготовки и спутника. Значение напряжений в отраженной волне будет зависеть от соотношения динамических жесткостей материалов за-

готовки и спутника:

_ _ Р сСс — Р3 С з

ао = ----р,---ГГ ,

РсСс + Рз Сз

где оа, ап - напряжения в отраженной и падающей волнах; Сс, Сз рс, рз - скорости продольных упругих волн в материалах спутника и заготовки и их плотности.

Из результатов исследований процессов формовки-калибровки тонкостенных трубчатых заготовок получено, что большая динамическая жесткость материала медного спутника обеспечивает, при одной и той же скорости соударения заготовки с оснасткой, большую глубину распространения дополнительных пластических деформаций, чем в случае алюминиевого спутника. Это обусловливает значительно меньшее отклонение отформованной заготовки от оснастки. Однако, при постоянной энергии разряда МИУ более тяжелый медный спутник обусловливает меньшую скорость разгона заготовки и скорость ее взаимодействия с оснасткой. Из полученных результатов следует, что с целью минимизации энергозатрат в процессах формовки следует использовать более легкие алюминиевые спутники, но при необходимости обеспечения высокой точности в операциях формовки-калибровки более предпочтительны медные спутники.

Большое влияние на кинематику процесса и величину энергозатрат при формоизменении заготовок оказывает величина предварительного зазора между спутником и заготовкой. Как показывают результаты экспериментов при малых заданных перемещениях стенки заготовки (0,1 ...0,5 мм, например в операциях калибровки) с целью уменьшения энергозатрат целесообразна установка спутника с зазором 0,5...1,0 мм относительно заготовки. В этом случае, за счет предварительного разгона спутника, заготовке передается достаточно большой запас кинетической энергии. При больших потребных степенях деформации установка спутника с зазором относительно заготовки не целесообразна, т.к. быстрое перемещение спутника до момента его касания с заготовкой приводит к резкому росту эквивалентного зазора, что снижает эффективность дальнейшего преобразования энергии заряда МИУ в работу пластического формоизменения заготовки.

Исходя из особенностей деформирования

двухслойной системы, возможна схема силовой интенсификации деформационного процесса магнитно-импульсной формовки на раздачу конических трубчатых деталей, путем использования спутника, защемленного по торцам заготовки. В этом случае, без применения каких-либо дополнительных средств или устройств обеспечивается непрерывное осевое нагружение торца заготовки в течение всего процесса ее деформирования. Действие осевого подпора, изменяя схему напряженного состояния в очаге деформации, приводит к увеличению возможностей деформирования заготовок (табл.1).

Величина усилия, действующего со стороны спутника на торец заготовки, в первом приближении без учета сил контактного трения между заготовкой и спутником, определяется через величину дополнительной осевой деформации заготовки е при совместном деформировании со спутником:

Ь. е ? + е—4^+0 = 0

Ьс 21 '

где Ъс., Ьз, пс, пз - константы динамического деформационного упрочнения материалов спутника и заготовки, I - исходная длина заготовки, а - угол формуемого конуса, 8з, 8с - толщина стенок заготовки и спутника, е - деформация заготовки.

В качестве спутников целесообразно использовать металлы и сплавы с высокой пластичностью и относительно низким пределом текучести: техническую медь М1, алюминиевые сплавы типа АД0, АМцМ, АМгЗМ, Д16М. Как показали исследования, при калибровке трубчатых заготовок, когда деформации не превышают 2%, целесообразно использование спутников из алюминиевой фольги АД0, АД1,

поскольку возможно их многократное использование до 10... 15 раз, а при промежуточной доработке (разглаживании складок) и отжигах более 20 раз. Медная фольга сильно нагарто-вывается уже при двукратном использовании и жесткие гофры препятствуют ее последующей намотке. В результате исследования физики процесса взаимодействия спутника и заготовки при МИОМ и металлографических исследований, установлены три основных вида дефектов, возможных при штамповке со спутником: электрический прижег, холодная сварка спутника с заготовкой и наплавление материала спутника на заготовку. Для исключения всех этих явлений необходима плотная установка спутника на заготовке. При этом не следует использовать достаточно легкоплавкие спутники из алюминиевых сплавов толщиной менее 0,3...0,4 мм. В ряде случаев целесообразно нанесение слоя смазки на поверхность заготовки, контактирующую со спутником.

Экспериментально установлено, что наибольшей стойкостью при многократном использовании обладают спутники, наматываемые из фольги толщиной 0,2...0,3 мм. У спутников из фольги меньшей толщины на слоях со стороны индуктора (где имеет место максимальная плотность вихревых токов) образуются точечные прижоги, прогары и происходит сварка слоев спутника, что приводит к быстрому выходу спутника из строя. При использовании фольги толщиной более 0,3 мм на ней образуются жесткие гофры, затрудняющие ее плотную намотку при повторном использовании.

При раздаче трубчатых образцов на конус с углами 30°; 45°; 60°; 90° было установлено, что предельный коэффициент раздачи мало изменяется с углом конусности. Предельные возможнос-

Таблица 1. Предельные возможности деформирования трубчатых заготовок

Материал Относительная толщина заготовки (Б/Б)-100% Предельные коэффициенты раздачи

свободная формовка конусов

раздача без осевого подпора с подпором спутником

ОТ4-1 1,25 1,20 1,20 1,24

ОТ4-1 1,66 1,21 1,21 1,25

ОТ4-1 2,5 1,22 1,23 1,26

12Х18Н10Т 1,0 1,45 1,54 1,58

12Х18Н10Т 1,66 1,47 1,54 1,60

ти при формовке конических деталей существенно повышаются при силовой интенсификации процесса, путем осевого нагружения заготовки спутником. Здесь наибольший эффект дает применение трубчатых спутников из материалов с достаточно высоким пределом текучести и прочности (но с сохранением достаточно высокой электропроводности), например, Д16Т или В95. Предельные коэффициенты раздачи за счет этого увеличиваются на 10...15%.

На точность деталей при формообразовании и калибровке заготовок с использованием спутников оказывает влияние большое число факторов: энергия разряда, частота разрядного тока, степень деформации заготовки, толщина спутника, соотношение динамических жестокостей материалов спутника, заготовки и оснастки. В связи с этим, при решении задачи оптимизации точностных возможностей процессов использовалась методика математического планирования экспериментов. Для построения математической модели был использован метод композиционного ротатабельного планирования второго порядка. После обработки результатов экспериментов и проведения статистического анализа, уравнение регрессии с учетом значимости коэффициентов имеет вид:

М = 0,0201 — 0,004^ — 0,002х2 — 0,012х3 +

+ 0,0075х23 + 0,0015х12 + 0,0022x2 + 0,0016x2,

где х\, Х2, хз - кодированные значения соответственно энергии разряда, толщины спутника и величены тангенциальной деформации заготовки.

Анализ уравнения регрессии показал, что наибольшее влияние на величину отклонения размеров детали от оснастки оказывает степень деформации заготовки, наименьшее - толщина спутника.

Управление кинематикой деформирования периферийных элементов заготовок достигается при варьировании величиной выступания спутника за торец заготовки. При этом установлено, что выступание спутников, намотанных из фольги, более чем на 1...1,5 мм приводит к их обрезке и недоформовке детали, вследствие сползания спутника. Прямолинейная форма образующей в процессе формовки, обеспечивающая наиболее высокое качество и точность детали, достигается при установке

трубчатого спутника с выступанием 1...1,5 мм относительно торца заготовки. При меньшей величине выступания возможна недоформов-ка борта, а при большей - отскок концевой его части. Как показали эксперименты, в диапазоне рабочих частот разрядного тока от 5 до 40 кГц, т.е. практически во всем диапазоне частот, оптимальных для штамповки со спутником, минимум энергозатрат на формовку имеет место при толщинах спутников 0,7...1,2 мм. При меньших толщинах к.п.д. процесса уменьшается вследствие просачивания поля за спутник, а при больших толщинах возрастает доля энергии, необходимой для деформирования самого спутника.

Магнитно-импульсное деформирование характеризуется воздействием на материал нестационарных магнитных полей напряженностью до (2...3)107 А/м и импульсных токов до 5105 А и обусловленным этим магнитно-импульсным воздействием (МИВ) и импульсным нагревом металла в процессе деформирования заготовки. В этих условиях значительно изменяются физико-механические свойства металлов и сплавов, МИВ накладывает отпечаток на сам механизм пластического течения. Магнитно-импульсное воздействие является постоянным сопутствующим фактором процессов магнитно-импульсной штамповки (за исключением случаев применения спутников), что обуславливает высокие предельные возможности метода и его интенсификацию.

Предварительный нагрев листовых заготовок из алюминиевых сплавов до 300°С позволяет повысить показатели штампуемости давлением ИМП на 5.. .15 %. Предельные коэффициенты отбортовки отверстий для алюминиевых сплавов марок Д16АМ, АМгбМ и В95 при комнатной температуре при штамповке энергией ИМП на 15 . ..60% выше чем при обычных методах штамповки. Наибольший прирост значений коэффициентов получен на тонком материале (£<0,5 мм). Предельные коэффициенты отбортовки наружных контуров при использовании энергии ИМП примерно в 2 раза превышают значения полученные при штамповке эластичной средой, что обусловлено высокоскоростной калибровкой деталей и разглаживанием гофров.

Штамповку деталей из сплава ВМД5 мож-

Таблица 2. Радиусы гиба листовых заготовок при штамповке ИМП с нагревом

Т емпература 20оС 2000С 3000С

Марка сплава 'тіп 'раб Гтіп 'раб Гтіп 'раб

Д16АМ 1,2 2,5 0,7 1,5 0,5 1,0

АМгбМ 1,2 2,5 0,7 1,5 0,5 1,0

В95 1,0 2,5 0,7 1,5 0,5 1,0

ВМД5 0,75-2,0 1,5-4,0 0,5-1,0 1,0-2,0 — —

МА2-1М — — — — 1,3-1,8 2,5-3,5

МА8М — — — — 1,2-1,6 2,5-3,5

но производить в холодном состоянии. Для заготовок из магниевых сплавов МА2-1М и МА8-М необходимо выдерживать температурный интервал 280...320 °С. Недостаточный нагрев листовых заготовок (ниже 280°С) при магнитно-импульсной штамповке приводит к образованию трещин или отрыву борта. Нагрев заготовок выше оптимальной температуры приводит к снижению прочности и уменьшению способности к пластической деформации. Суммарное время нагрева не должно превышать одного часа. При магнитно-импульсной штамповке магниевых сплавов предельные коэффициенты отбортовки повышаются на 5.10 % по сравнению с обычной штамповкой. Упругая отдача листовых алюминиевых сплавов при отбортовке отверстий и наружных контуров с помощью энергии ИМП при комнатной температуре в 2 раза меньше, чем при обычной штамповке. Неприлегание к штамповой оснастке при формовке деталей давлением ИМП не превышает 0,05.0,1 мм, а утонение в опасном сечении - 15. 20%. При штамповке деталей из алюминиевых и магниевых сплавов с предварительным нагревом заготовок упругая отдача незначительна и точность формообразующих операций при оптимальной энергии разряда МИУ определяется только точностью инструмента и исходной заготовки.

С помощью энергии ИМП можно гнуть и формовать борта на деталях с любыми минимальными высотами (равными радиусу борта и менее). Основным показателем, определяющим технологические возможности процесса гибки, является минимальный относительный радиус гиба гтт относительный рабочий радиус гра^. Способность материала к отбортовке определяется коэффициентом отбортовки К0. Величины вышеуказанных параметров при однопереходной штамповке, полученные в диапазоне оптимальных тем-

ператур, приведены в табл. 2 и 3.

Отработка технологических процессов проведены на Самарском заводе “Прогресс”, где освоены и внедрены в производство более 200 наименований промышленных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов, коррозионностойких и специальных сталей и сплавов типа жесткостей, окантовок, корпусов, полупатруб-ков, переходников и др. из номенклатуры деталей каркаса ЛА. В освоенную номенклатуру вошли детали малых и средних размеров (от 40 до 1000 мм), довольно сложные по форме и конструкции. Изготавливаются эти детали с помощью операций гибки, отбортовки отверстий и наружных контуров различной формы, калибровки, формовки рифтов и т.п. Точность откалиброванных деталей соответствует 7.9 квалитету.

Применение лазерной сварки требует особо высокой точности размеров сопрягаемых деталей, что трудно достижимо при использовании традиционных процессов получения тонкостенных деталей методами об работки металлов давлением. На заводе “Прогресс” совместно с Самарским государственным аэрокосмическим университетом проведены комплексные работы по созданию, исследованию и освоению технологических процессов прецизионной магнитно-импульсной калибровки тонкостенных оболочек. Полученные результаты были использованы при разработке технологического процесса прецизионной калибровки поясков сильфонов из сплава 08Х18Н10Т. Калибровка производилась при использовании индуктора с концентратором магнитного поля. В качестве спутника использовалась алюминиевая фольга толщиной 0,15 мм, наматываемая в 4.6 слоев. При энергии заряда магнитно-импульсной установки МИУ-20/1 равной 2,3 кДж был обеспечен разброс значений среднего ди-

Таблица 3. Коэффициенты отбортовки при штамповке ИМП с нагревом

Температура 20°С 200°С 300°С

Марка сплава & К0 раб & К0 раб & К0 раб

Д16АМ 1,66-1,78 1,51-1,60 --- --- 1,78-1,90 1,60-1,72

АМгбМ 1,70-1,96 1,56-1,78 — 1,92-2,16 1,72-1,98

В95 1,44-1,56 1,26-1,38 — 1,65-1,75 1,50-1,65

ВМД5 0,75-2,0 1,5-4,0 0,5-1,0 1,0-2,0 --- ---

МА2-1М — — — — 1,3-1,8 2,5-3,5

МА8М — — — — 1,2-1,6 2,5-3,5

аметра менее 0,03 мм при овальности деталей менее 0,05 мм.

Высокие технологические возможности магнитно-импульсной формовки-калибровки быши подтверждены при обработке концевых участков трубчатых деталей из сплава ЭП-810ВД (бо 2 = 800 МПа) по схеме на обжим. Получены детали с отклонением размеров от номинала менее 0,1 мм.

Разработанный технологический процесс, штамповая и вспомогательная оснастка для магнитно-импульсной переформовки длинномерных трубчатых элементов датчиков уровня из алюминиевого сплава АМгЗН позволили получить детали со стрелкой прогиба менее 0,4 мм на длине 1040 мм при овальности менее

0,1 мм. При этом осуществлялась последовательная калибровка участков заготовки длиной 200 мм по оправке длиной 400 мм двукратным нагружением с поворотом заготовки на 90° при каждом переходе штамповки. При перемещении заготовки на длину равную половине ширины рабочей зоны индуктора стрелка прогиба уменьшалась до 0,25 мм.

Большой практический результат дал разработанный технологический процесс магнитно-импульсной калибровки под сварку концов

крутоизогнутых двухшовных сварных патрубков из сплава ДИ-52. Образцы имели исходную овальность до 1,2 мм. При однократном нагружении с энергией 9,85 кДж овальность концевых участков уменьшилась до 0,05.0,1 мм. Штамповка осуществлялась с применением спутника из алюминиевой фольги толщиной 0,2 мм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барвинок В.А., Самохвалов В.Н., Родин Н.П., Кирилин А.Н. Расчет и моделирование процессов магнитно-импульсной формовки тонкостенных оболочек. - Машиностроение и автоматизация .- 1997.-№ 1-2.-С.64-66.

2. Самохвалов В.Н., Барвинок В.А., Родин Н.П., Кирилин А.Н. Интенсивные технологические процессы магнитно-импульсной обработки металлов. - Машиностроение и автоматизация .- 1997.-№ 1-2.- С.67-69.

3. Самохвалов В.Н., Родин Н.П., Кирилин А.Н. Совмещение операций и автоматизация процессов магнитно-импульсной штамповки тонкостенных деталей // Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий. - Волгоград: ВГТУ, 1997.- С. 95-96.

MAGNETIC-DISCHARGE EXPANSION AND REDUCTION OF TUBE BLANKS THROUGH PULLS MAGNETIC FIELD PRESSURE

© 1999 V.A. Barvinok ', V.P. Samokhvalov ', A.N. Kirilin 2

1 Institute of Technology and Problems of Quality, Samara

2 State Research-Production Space-Rocket Centre “CSDO-Progress”, Samara

This paper describes engineering method to calculate the values and distribution of effective strain inside dynamically deforming part depending on its shape. Relationship for calculation of energy consumption for magnetic-impulse stamping of parts with respect to energy loss during various stages of its transformation is presented. An analysis of means, which are developed to increase dimensional stability of parts produced for magnetic-impulse stamping, is also given.