СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧЕК ИЗ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF SHELLS FROM SHEET WORKPIECE AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении различных емкостей, днищ из листовых материалов сверхпластической формовкой.
Известны традиционные способы (Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С., Соболев Я.А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов.- М., Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2003. - 427 с.) изготовления оболочек емкостей, например полусферических днищ из листовых материалов многопереходной вытяжкой с промежуточными термообработками или молотовой штамповкой в подкладных штампах.
Недостатком известного способа является то, что изделия получаются с низкой геометрической точностью, технологические процессы отличаются высокой трудоемкостью и низким КИМ.
Известны новые технологические процессы газовой формовки в режиме кратковременной ползучести, которые снижают трудоемкость в 2 раза, уменьшают металлоемкость до 30% и увеличивают КИМ с 0,2 до 0,9 по сравнению с традиционными технологиями. Недостатком известных способов газовой формовки является существенная разнотолщинность получаемых изделий по образующей, которая влияет на их прочностные свойства. Для устранения разнотолщинности после штамповки применяют химическое фрезерование.
7
Наиболее близким способом по техническому осуществлению является способ изготовления оболочек из листовых заготовок газовой формовкой (патент RU 2169628, МПК B21D 26/02, С10М 103/02, B21J 3/00, опуб. 27.06.2001). В известном способе формование листа из высокопластичного алюминиевого или титанового сплава включает в себя нагрев листа до температуры высокопластичного формования, нанесение смазки, разделяющего реагента, включающего гидроксид магния или смесь гидроксида магния и нитрида бора, на по меньшей мере одну из формообразующих поверхностей штампа и одну сторону листа, укладку листа в штамп, приложение давления текучей среды к другой стороне листа для его деформирования при скорости высокопластичного растяжения в соответствии с конфигурацией штампа, удаление деформированного листа из штампа.
Недостатком наиболее близкого способа является значительная разнотолщинность стенок изделия по образующей, что сказывается на трудоемкости и КИМ.
5
Известно устройство (патент RU 2021056, МПК B21D 26/02, опуб. 15.10.1994), состоящее из матрицы, крышки, нагревателя, регулятора давления газа, узла контроля окончания процесса формообразования.
Недостатком известного устройства является возможность формоизменения только одной заготовки и существенная разнотолщинность стенки по образующей до 40% и более.
Известно устройство, принимаемое за прототип, для формообразования листовых заготовок в режиме сверхпластичности (Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С, Соболев Я.А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов. - М., Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2003. - 427 с.), имеющее блок, в котором помещены две матрицы, нагревательные элементы, клиновые зажимы, штуцеры.
Недостатком устройства, которое принято за прототип, является возможность формоизменения только одной заготовки и получение емкости с существенной разнотолщинностью стенки по образующей до 40% и более, а также низкая производительность и качество.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества за счет уменьшения разнотолщинности и повышение производительности изготовления оболочек из листовых заготовок.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления оболочки из листовых заготовок устанавливают в штамп матрицу с глухой рабочей полостью, наносят на ее поверхность смазку с пониженным коэффициентом трения, закрепляют на упомянутой матрице листовую заготовку с возможностью радиального перемещения фланца, устанавливают на упомянутую матрицу с заготовкой вторую кольцевую матрицу со сквозной полостью, закрепляют на кольцевой матрице вторую листовую заготовку с герметичным защемлением по краям, наносят на поверхность заготовок смазку с высоким коэффициентом трения типа гидроксида магния, причем на матрицу с глухой полостью устанавливают заготовку с диаметром больше диаметра второй заготовки, нагревают штамп с листовыми заготовками до температуры высокопластичного формования, подают избыточное давления газа в полость штампа к заготовке, закрепленной в матрице со сквозной полостью, и одновременно формоизменяют две заготовки до момента их соприкосновения с рабочими поверхностями матриц и получения одной готовой оболочки и одного полуфабриката с глубиной формования, равной толщине матрицы со сквозной полостью, и фланцем диаметром, равным диаметру второй заготовки, удаляют отформованную оболочку, полуфабрикат и матрицу со сквозной полостью, устанавливают на матрицу с глухой полостью плоскую листовую заготовку, покрытую смазкой с пониженным коэффициентом трения, закрепляют на матрице со сквозной полостью полуфабрикат с герметичным защемлением его фланца, осуществляют формообразование с подачей избыточного давления к полуфабрикату до момента полного соприкосновения с рабочими поверхностями матриц и получением одной готовой оболочки и одного полуфабриката.
Для осуществления способа применяется устройство для изготовления оболочки из листовых заготовок, состоящее из двух матриц, крышки, нагревателя, штуцеров, трубопроводов с регулятором давления газа, узла контроля процесса формообразования, причем одна матрица выполнена кольцевой со сквозной полостью, рабочая поверхность которой соответствует размерам готовой оболочки, а толщина равна половине высоты готовой оболочки, причем на торцевой поверхности ее основания выполнены газоотводящие канавки, а другая матрица имеет глухую полость, глубина которой равна толщине кольцевой матрицы, а рабочая поверхность выполнена с размерами, обеспечивающими получение полуфабриката оболочки с внутренней поверхностью, соответствующей готовой оболочке по внешнему контуру.
На фиг. 1-3 показаны этапы изготовления оболочек из листовых плоских заготовок. На фиг. 1 исходное положение двух заготовок с жестким защемлением одной заготовки и закреплением другой с возможностью радиального перемещения фланца в штампе. На фиг. 2 - этап окончательного формоизменения заготовки, закрепленной на матрице со сквозной полостью, и предварительное формоизменение заготовки с радиальным перемещением фланца, закрепленной на матрице с глухой полостью, по рабочей поверхности этой матрицы. На фиг. 3 - этап одновременного формообразования полуфабриката и плоской заготовки. На фиг. 4 приведена конструктивная схема устройства с матрицами 1 и 3. На фиг. 5 показана расчетная схема для определения размеров рабочей поверхности матрицы с глухой полостью.
Способ осуществляется следующим образом: на первом этапе (фиг. 1) в штамп последовательно устанавливают матрицу 1 с глухой рабочей полостью, смазывают ее поверхность, например, нитридом бора, на матрице 1 закрепляют плоскую заготовку 2 с возможностью радиального перемещения фланца, поверхность заготовки смазывают, например, гидроксидом магния с высоким коэффициентом трения, на матрицу 1 и плоскую заготовку 2 устанавливают вторую кольцевую матрицу 3 со сквозной полостью, газоотводящими каналами 7 и толщиной, равной половине радиуса готовой оболочки. На вторую кольцевую матрицу 3 укладывают вторую плоскую заготовку 4, смазанную гидроксидом магния. Плоскую заготовку 4 герметично защемляют с помощью крышки 5 и зажимных устройств. Штамп и заготовки нагревают до требуемой температуры, после чего на втором этапе (фиг. 2) происходит совместное формоизменение двух заготовок 2 и 4. Причем избыточным давлением р производят формоизменение плоской заготовки 4. В процессе ее формоизменения происходит контактирование с заготовкой 2, в результате этого осуществляют ее деформирование с радиальным перемещением фланца. При этом реализуют схему напряженно-деформированного состояния, характерного для операции вытяжки. При такой схеме нагружения значения меридиональных напряжений значительно меньше, чем имеют место при формовке избыточным давлением с защемлением края. Плоская заготовка 4 получает окончательные размеры и форму готовой оболочки, а плоская заготовка 2 форму полуфабриката с размерами купола по высоте, равной толщине второй кольцевой матрицы 3, причем ее внутренняя поверхность имеет форму и размеры готовой оболочки, а диаметр фланца становится равным диаметру плоской заготовки 4. Формоизменение плоской заготовки 2 операцией вытяжки способствует повышению равномерности толщины изделия по образующей, так как величина радиальных растягивающих напряжений существенно меньше, чем при формообразовании с двухосным растяжением. После остывания штамп разбирают, кольцевую матрицу 3, готовую оболочку из плоской заготовки 4 и полуфабрикат из плоской заготовки 2 удаляют. На третьем этапе (фиг. 3) матрицу 1 смазывают нитридом бора, укладывают новую плоскую заготовку 2 с возможностью радиального перемещения фланца, которую покрывают смазкой, например, из гидроксида магния, на заготовку устанавливают кольцевую матрицу 3, закрепляют с герметичным защемлением фланца предварительно отформованный полуфабрикат из плоской заготовки 4 с высотой купола, равной толщине матрицы 3, и после нагрева до требуемой температуры осуществляют процесс формоизменения избыточным давлением газа р через штуцер 6. При этом в результате формоизменения полуфабриката осуществляют его контакт с плоской заготовкой 2, которую формоизменяют с радиальным перемещением фланца. Нанесение смазки с высоким коэффициентом трения уменьшает скорости деформаций в меридиональном и окружном направлениях, а также по толщине стенки. Смазка является также изолирующим слоем, препятствующим диффузионной сварке двух заготовок.
Устройство для реализации способа содержит две матрицы, причем матрица 1 имеет глухую полость, выполненную по размерам, которые обеспечивают получение полуфабриката оболочки с внутренней поверхностью, которая соответствует внешнему контуру готовой оболочки. Кольцевая матрица 3 со сквозной полостью выполнена с рабочей поверхностью, соответствующей размеру готовой оболочки. Толщина кольцевой матрицы 3 равна половине высоты готовой оболочки. На торцевой поверхности основания матрицы 3 выполнены газоотводящие каналы 7. Для подвода газа в крышке 5 установлен штуцер 6. На глухую матрицу 1 устанавливают заготовку 2, а на кольцевую матрицу 3 устанавливают заготовку 4.
Пример реализации способа.
0
0
Из титанового сплава ВТ23 с толщиной листа h=3,2 мм необходимо изготовить полусферическую оболочку с радиусом по наружной поверхности R=287 мм. При использовании известного способа газовой формовки куполообразных оболочек формоизменение осуществляют при температуре нагрева заготовки и штампа 860°С под действием избыточного давления газа р, изменяющегося по закону (Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С, Соболев Я.А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов. - М., Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2003. - 427 с.):
0
р
р
а
где р, , n - параметры нагружения, t - время.
0
При формообразовании с защемлением плоской заготовки 4 ее размер по диаметру: D=575 мм.
0
k
c
k
c
k
Затраты времени для формоизменения полусферической оболочки радиусом R=287 мм составили: время нагрева в аргоне 200 мин; смыкание штампа, подача аргона и формообразование под давлением 40 мин. В результате формоизменения изменилась толщина стенки оболочки. В месте закрепления толщина h=2,46 мм, а в вершине h=0,81 мм. Показатель разнотолщинности η=100(h-h)/h=67%.
Время охлаждения и удаления готовой оболочки составило 200 мин.
Общие затраты времени 440 мин.
k
c
k
c
k
При формообразовании одновременно двух плоских заготовок по предлагаемому способу под действием избыточного газа, изменяющегося по аналогичному закону с использованием смазки, состоящей из гидроксида магния, имеющей высокий коэффициент трения, избыточное давление р прикладывалось для формоизменения плоской заготовки 4 в кольцевую матрицу 3 (фиг. 2). Время до соприкосновения купола плоской заготовки 4 с поверхностью плоской заготовки 2 составило 20 мин. Далее в течение 13 мин происходило совместное формообразование двух заготовок, причем плоская заготовка 4 формоизменялась под действием избыточного давления по схеме двухосного напряженного состояния, а заготовка 2 деформировалась по схеме напряженно-деформированного состояния, характерного для операции вытяжки. Была получена первая готовая оболочка с толщиной стенки в месте закрепления h=2,52 мм, а в вершине h=l,69 мм. Показатель разнотолщинности η=100(h-h)/h=33%. Время на формоизменение плоской заготовки 2 также составило 40 мин. На последующей операции использовался полуфабрикат и другая плоская заготовка (фиг. 3). После их закрепления в устройстве и нагрева до заданной температуры формоизменялись одновременно две заготовки, одна под действием избыточного давления р, действующего на плоскую заготовку 4, а другая в результате контактирования плоской заготовки 4 с плоской заготовкой 2. При этом происходило перемещение фланца заготовки 2 в радиальном направлении. Через 13 мин подача избыточного давления р прекращалась. После остывания штампа готовая оболочка и полуфабрикат удалялись из штампа. Время формообразования одновременно полуфабриката и плоской заготовки уменьшилось благодаря тому, что формоизменение полуфабриката производилось с высотой купола, равной половине радиуса полусферы готовой оболочки. В результате деформирования заготовки по схеме вытяжки толщина стенки в месте закрепления фланца незначительно увеличивалась до 3,25…3,30 мм, а в вершине купола уменьшалась до 2,90…3,0 мм. При последующем формоизменении этого полуфабриката с герметичным защемлением края по схеме двухосного напряженного состояния толщина стенки в месте защемления уменьшилась до 3,10…2.90 мм, а в вершине купола до 2,30…2,20 мм. Показатель разнотолщинности составил 23…25%.
Способ может быть использован также при изготовлении эллиптических и другой формы оболочек с такой же последовательностью формоизменения двух плоских заготовок.
2
1
1
1
k
c
1
Для осуществления способа используется устройство (фиг. 4), в котором кольцевая матрица 3 со сквозной полостью выполнена толщиной, равной половине высоты готовой оболочки. Например, для изготовления сферической оболочки высота кольцевой матрицы 3 равняется половине радиуса сферической оболочки. Рабочая поверхность матрицы 3 изготавливается по радиусу R, который равен радиусу полусферической оболочки по наружной поверхности (фиг. 5). Рабочая поверхность глухой полости матрицы 1 выполняется с другим радиусом R, проведенным из центра O, который должен обеспечить получение полуфабриката с внутренней поверхностью, имеющей радиус готовой оболочки. Размер радиуса R зависит от толщин стенки готовой оболочки в месте закрепления h и в вершине h. На фиг. 5 приведена схема графического определения радиуса R. Для этого через середины сторон АБ или БС проводятся перпендикуляры до пересечения с осью симметрии. Радиус первой матрицы также определяется по зависимости:
-1
2
k
где β=sin0,7071(R+h)/N
1
1
Радиус R проводится через точки А, Б, С из центра O (фиг. 5).
k
c
В рассматриваемом примере был получен полуфабрикат, у которого в месте закрепления толщина стенки h=2,52 мм и в вершине h=1,69 мм.
По результатам расчетов получены следующие значения:
1
1
2
2
N=221,275; β=67,7°; R=291,56 мм, который соединяет точки А, Б, и С контура рабочей поверхности матрицы 1 из центра в точке О, которая находится на расстоянии (фиг. 5) от точки О равном 291,56-288,69=2,87 мм. В этом случае внутренняя поверхность полуфабриката будет описываться радиусом R и обеспечивать требуемую точность и форму готовой оболочки при окончании формоизменения заготовки 4, закрепленной на матрице 3.
Диаметр заготовки 4 (фиг. 1) должен обеспечить ее герметичное защемление, а диаметр заготовки 2 рассчитывается с учетом того, чтобы в результате ее деформирования с радиальным перемещением фланца наружный диаметр полуфабриката стал равным наружному диаметру заготовки 4 (фиг. 2).
0
2
В рассматриваемом примере для получения полусферы радиусом R=287 мм используется заготовка 4 диаметром D=735 мм (фиг. 6). Для определения диаметра заготовки 2 необходимо увеличить размеры заготовки 4 на величину, равную разности площади нижнего шарового слоя (фиг. 6) и площади круга, находящегося в основании этого шарового слоя. Допускаем, что отрезок . Радиус окружности r=ОА основания нижнего шарового слоя определится по формуле:
Площадь основания шарового слоя:
r
2
2
S=πr=193902,065 мм.
Площадь нижнего шарового слоя:
Разность площадей определится:
шс
r
2
ΔS=S-S=64736,595 мм.
Площадь заготовки 2 будет:
Расчет показывает, что необходимо заготовку 2 изготавливать диаметром 788 мм, чтобы после деформирования диаметр ее фланца стал равным 735 мм.
Поскольку предлагаемый способ позволяет получать изделия с меньшим утонением, то для изготовления заготовки 2 используется лист с меньшей толщиной. В результате этого металлоемкость изделия сохраняется.
Таким образом, были получены положительные результаты по повышению производительности формоизменения и уменьшению разнотолщинности. Уменьшение разнотолщинности позволяет увеличить прочностные свойства оболочки в 2 раза или уменьшить весовые характеристики оболочки примерно на 20%.
Одновременное формоизменение двух заготовок повышает производительность процесса, так как время на формоизменение полуфабриката меньше, чем на формоизменение плоской заготовки, кроме того, процесс формообразования происходит только в одном направлении, тогда как в прототипе для осуществления реверсивного формообразования заготовку деформируют сначало в одном направлении, а затем в противоположном, что увеличивает время формоизменения.