Метод управления деформированием листовой заготовки из титанового сплава путем изменения ее температурного поля

УДК 539.374.4; 621.983

МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ

ЕЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

Я.А. Соболев, И.С. Петухов

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по формообразованию газом сферических оболочек из высокопрочного титанового сплава ВТ23 в условиях сверхпластичности. Выполнены расчеты получения равностенной оболочки с применением переменного температурного поля.

Ключевые слова: давление, сверхпластичность, газовая формовка, переменное температурное поле, титановый сплав, напряженное состояние.

Изготовление оболочек из высокопрочных титановых сплавов методом газовой формовки в условиях сверхпластичности обеспечивает высокую стабильность геометрических размеров изделия, минимальные остаточные напряжения, исключение механической обработки по поверхности и снижение затрат. Существенным недостатком свободного формообразования газом является неравномерная деформация, приводящая к переменной толщине штамповки. Уменьшить разнотолщинность можно разными способами: механической обработкой, предварительной формовкой или штамповкой, реверсивной формовкой и т.п. Выбор способа зависит от свойств металла, технологических возможностей оборудования и оснастки.

Для управления процессом деформации металла в процессе формовки предлагается изменять температурное поле заготовки. Предложение базируется на зависимостях напряжения течения металла от температуры. На рис. 1 показано изменение напряжения течения сплава ВТ23 в 2 раза в интервале температур сверхпластичности 750...860 °С.

Метод предложено реализовать применением стоков тепла на поверхности заготовки. Разработана конструкция штамповой оснастки в верхней части которой установлена платформа с дополнительными массами, замедляющими прогрев центральной части, эти массы вместе с платформой будем называть стоками тепла (Рис. 2). Стоки тепла должны быть в непосредственном контакте с заготовкой для эффективного отвода тепла. Установлено, что такие параметры как масса, коэффициент отражения, геометрия стоков тепла значительно влияют на перераспределение температуры заготовки. Изменяя геометрию и массу стоков тепла, можно получить в нужный момент времени необходимую неравномерность температурного поля заготовки.

3,5

2,5

V *

0,5

1290

920

870 ^^

1,4^4^ 570

0,65 0,69 0,61

700

750

800

Температура, "С

850

900

1400

1200

1000

800 ^

<и о

600 5 Р

5

400 о

200

»Напряжение течения, кгс/мм2

»Отн. Удлинение, %

Рис. 1. Зависимость напряжения течения и относительного удлинения

3 1

от температуры при СПФ для ВТ23

Рис. 2. Схема штамповой оснастки: 1 - сток тепла; 2 - заготовка; 3 - платформа для стоков тепла;

4 - штамповая оснастка

Разработана математическая модель получения равностенной полусферы. Найдены условия деформирования, при которых утонение металла одинаковое во всех точках деформируемой сферы. Для математического описания деформированного состояния используются сферические координаты р, 0, X (рис. 3).

Рис. 3. Расчетная схема формообразования оболочки

Добиться равномерного утонения листовой заготовки можно уменьшением растяжения заготовки по мере приближения рассматриваемой точки к оси. Возьмем за базовую деформацию по толщине деформацию в точке А и вычислим отношение деформации утонения (по абсолютной величине) в произвольной точке С к базовой, обозначив это отношение буквой К:

Зависимость коэффициента К от угла 0 показана на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость К от угла 0°

249

Чтобы получить равномерное утонение по всей полусфере, необходимо обеспечить распределение скорости деформации утонения, обратное величине К. Это соотношение сохраняется независимо от характера изменения скорости по времени процесса. Таким образом, скорость деформации утонения в точке С должна быть

е рА

к (ес)'

а интенсивность скоростей деформаций

е рс = ,

е • = -^РА_

гс к(ес)' '7

Коэффициент X изменяется от X =1,15 в точке А до X =1 в точке В ввиду изменения схемы деформаций от плоской (чистого сдвига) в точке А до осесимметричной (сжатия) в точке В.

Интенсивность напряжений, равная согласно условию пластичности Губера - Мизеса сопротивлению деформации, связана с давлением газа внутри формуемой сферы формулой Лапласа:

2а ^

Р =,

гср

где 8 - толщина листа, одинаковая во всех точках полуфабриката; гср -средний радиус сферы, также одинаковый в точках А и С в любой момент процесса формовки. Следовательно,

а0 А

Г  \тА

ем

V е г 0 у

=ас

С  \тс е С

V его у

Добиться выполнения этого равенства можно путем обеспечения различной температуры в точках А и С. В интервале температур, реально обеспечивающем течение титановых сплавов ВТ23 в состоянии сверхпластичности, можно принять значение тА = тс=0,3.

Для достижения постоянной толщины деформируемой сферической заготовки необходимо в ней поддерживать температурное поле, изменяющееся по закону

гр гг, т к

ТС = ТА--1п—.

С А р 1

При проведении экспериментальных работ удалось добиться значительного перераспределения толщины полусферы, и в предельном случае разрушение полусферы происходило по фланцевой части, а не в центре (рис. 5).

Апробация технологии управления деформированием листовой заготовки путем изменения ее температурного поля проводилась при изготовлении полусфер из высокопрочного титанового сплава ВТ23 диаметром 574 мм.

3,2 3 2,8 2,6

5 2,4 §

я 2,2 х

Э" 2 §

I- 1,8

1,6 1,4 1-2 1

123456789 10

Точки по меридиану

—♦—Со стоками тепла ——Без стоков тепла

Рис. 5. Распределение толщины полусферы по меридиану

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 %.

гтпг

Рис. 6. Распределение толщины металла после газовой формовки

251

Выводы

1. Разработан метод управления деформированием листовой заготовки из титанового сплава ВТ23 путем изменения ее температурного поля, обеспечивающий уменьшение разнотолщинности получаемой оболочки до 20 %.

2. Разработана математическая модель расчета равностенной полусферы. Найдены условия деформирования, при которых утонение металла одинаковое во всех точках деформируемой заготовки.

3. Применение метода позволило уменьшить массу готового изделия на 15 %, повысить КИМ и снизить затраты на изготовление.

Список литературы

1. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение. 2009. 412 с.

Соболев Яков Алексеевич, д-р. техн. наук, проф., yasoboloev@mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Петухов Иван Сергеевич, ассистент, ivanpetukhovs@yandex. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет

CONTROL METHOD OF DEFORMATION OF SHEET BLANKS OF TITANIUM ALLOY BY CHANGING ITS TEMPERA TURE FIELD

Y.A. Sobolev, I.S. Petukhov

The results of theoretical and experimental work on gas formation of spherical shells-containers under the conditions of superplasticity of the titanium alloy. The calculations of obtaining ravnomernoi shells (hemispheres) by using the variable temperature field.

Key words: pressure, high-strength material, superplasticity, pneumotropica, variable temperature field, titanium alloy stress state.

Sobolev Yakov Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, yasobo-loev@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Petukhov Ivan Sergeevich, assistant, ivanpetukhovs@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University