Изотермическое формоизменение куполообразных оболочек

УДК 539.374; 621.983

С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц.,

ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ КУПОЛООБРАЗНЫХ ОБОЛОЧЕК

Приведены результаты экспериментально-технологических работ по обработке процессов горячего формообразования газом полусферических деталей из высокопрочных материалов.

Ключевые слова: высокопрочный материал, полусферическая деталь, деформирование, пневмоформовка, кратковременная ползучесть, давление, температура, заготовка.

Экспериментально-технологические работы по обработке процессов горячего формообразования газом оболочек проведены на базе высокопрочных листовых алюминиевых и титановых сплавов. Алюминиевые сплавы АМгб, 1971 и 1911 с мелкозернистой структурой деформировались газом (аргоном) в интервалах температур 450...530 °С. Температурным режимом формоизменения титановых сплавов ВТ6С, ВТ 14, ВТ20 являлся интервал Т =900...930 °С при формовке в вакууме или среде нейтрального газа.

Формообразование сферических оболочек осуществлялось по следующим вариантам: прямая однооперационная формовка, однооперационная с неравномерным распределением температуры по образующей заготовке и формовка с реверсированием. Все варианты деформирования реализованы в рамках схемы, показанной на рис. 1.

Режимы формообразования отрабатывались при изготовлении оболочек из листов толщиной 1 ...1,5 мм при диаметрах 200...500 мм.

1 - я операция 2-я операция

Рис. 1. Технологическая схема газоформовки листовой оболочки: 1 - верхняя часть штампа; 2 - вкладыш; 3 - нижняя часть штампа; 4 - полуфабрикат; 5 - изделие

Фиксирование исходной плоской круглой в плане заготовки осуществлялось штампом от гидропривода пресса или жесткими клиньями при беспрессовом варианте штамповки. Под давлением газа, подаваемого на поверхность заготовки, производилось ее выпучивание в полость штампа.

Режимы технологических операций для титановых сплавов были следующие: температура - 900...950 °С; давление газа - 1... 1,5 МПа; время операции - 15...30 мин, а для алюминиевых сплавов - Т =450...475 °С при давлении р до 1 МПа и времени деформирования 10...20 мин. Исходные материалы имели мелкозернистую (<10 мкм) структуру. Формовка в ва-

_9

кууме при остаточном давлении 133,3 10 Па или проточном аргоне препятствовала росту окисной пленки на заготовках. Процесс зависит от скоростных условий обработки (роста давления газа по времени). Повышение скорости деформирования вызывает рост давления и высокую неравномерность толщины по образующей. Уменьшение скорости приводит к перегреву, росту зерна металла и накоплению внутренних дефектов. В этой связи процесс формоизменения должен быть оптимальным по длительности, т.е. времени деформирования. Это определяет величины предельных деформаций и разнотолщинность стенки изделия. Особенно чувствительны к режиму времени титановые сплавы.

При формоизменении оболочек из алюминиевых сплавов АМгб и 1971 временной режим также влияет на величину технологического давления; предельная степень формообразования и утонение практически от него не зависят. Существенная зависимость от времени наблюдается при формовке титановых сплавов. При формообразовании полусфер из титановых сплавов ВТ6С и ВТ23 радиусом 300 мм из листа толщиной 1,5 мм максимальное давление газа составляет 1,0 МПа на четвертой минуте операции при конечном давлении 0,8 МПа и общем времени операции 15 мин. Максимальное утонение заготовки в куполе полусферы при однооперационном варианте хорошо согласуется с расчетными данными. Экспериментальные графики изменений давления газа и толщины заготовки в куполе при формообразовании полусферы от времени деформирования приведены на рис. 2.

При формовке с большими степенями деформаций в ряде случаев создавали противодавление, для чего газ подавали также на заготовку с противоположной стороны, т.е. наполняли газом под давлением полость штампа. К этому варианту прибегали при формовке куполообразных оболочек из алюминиевых сплавов типа АМгб, имеющих большую, чем титановые сплавы, склонность к возникновению и развитию внутренних дефектов - повреждаемости при деформировании в условиях растяжения. Зерна практически не вырастают при формообразовании оболочек и находятся в пределах 3...5 мкм. Пределы прочности исходных материалов, со-

3 2

ставлявшие 1,15 х 10 МПа для сплава ВТ23, (2.. .2,2) х 10 МПа для сплава

2

АМгб, (2,8...3,0)х10 МПа для сплавов 1971 и 1911, также остаются на тех же уровнях. Для обеспечения геометрической точности изделия, которая может быть нарушена неравномерным распределением остаточных напряжений и поводками оболочки при остывании, проводится температурная фиксация: заготовки охлаждают совместно со штамповой оснасткой под давлением газа. Отформованная заготовка повторяет профиль оснастки, что и определяет ее точность.

Рис. 2. Типовые графики изменения давления газа и толщины в куполе оболочки при Л = 300 мм:

1, 2, 3, 4- давление в течение 10,15 мин; 5, 6- изменение толщины

При однопереходной штамповке, как уже отмечалось, возникает большая неравномерность относительной толщины стенки (/*о / К) по образующей оболочки (рис. 3).

Рис. 3. Изменение толщины стенки по образующей полусферы

Для оболочек из сплавов ВТ6С и ВТ23 она составляет в среднем 2,5, а для оболочек из сплава АМгб - 3. Для уменьшения неравномерности используются два варианта: двухпереходная штамповка на вкладыш (реверсирование) и создание неравномерного температурного поля на заготовке (в пределах 150...200° от центра к краю), что позволяет снизить неравномерность распределения толщины оболочек из названных материалов до 2 и 2,2 соответственно. При втором варианте заготовка воспроизводит форму реверсивной штамповки: периферийная зона опережает центральную, а к концу формовки заготовка принимает сферическую форму.

Металлографические исследования и механические испытания показали отсутствие значительного роста зерен и уменьшение прочности материалов.

Для технологических работ использовалась штамповая оснастка двух типов: наборная из колец толщиной 50 мм и литая целиковая с внешними ребрами жесткости. Штамповая оснастка изготавливлась из стали 12Х18Н10Т. Оснастка с целиковой матрицей была предпочтительнее составной, так как на последней происходило торможение заготовки на стыках колец, что приводило к большей неравномерности толщины и оставляло следы от стыков на изделии. Штамповый блок для беспрессовой штамповки оснащался встроенной системой нагрева, асбестовой и керамической теплоизоляцией, водяной системой охлаждения. Ввод газа (аргона) осуществлялся от баллона. Силовое смыкание блока - клиновое. Работа может производиться в вакуумной пресс-камере или на штатных гидропрессах. Следует отметить, что предпочтительна схема реверсивной подачи газа, т.к. это значительно уменьшает неравномерность толщины стенки. Режимы технологии приведены в таблице.

Технологические режимы

Материал Температура, С Формовка/калибровка

Давление, МПа Время, мин

ВТ14 875 1...1,5/4...5 20...30/10

ВТ23 930 1...1,5/4...5 20...30/10

АМгб 450...475 0,8...1/2...3 10...20/15

1971 500...510 0,6...1/2...3 10...20/15

На рис. 4 показаны опытные образцы изделия из титановых и алюминиевых сплавов, изготовленные формовкой газом.

По сравнению с традиционной многопереходной штамповкой, последующей механической обработкой и пригонкой трудоемкость снижается в 2 - 3 раза, расход металла - в 3 - 5 раз, точность геометрии изделия повышается в 5 - 7 раз.

Рис. 4. Днища бакое из титанового сплава ВТ14

Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Список литературы

1. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 332 с.

2. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427с.

3. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.

S.N. Larin

THE ISOTHERMAL DEFORMING OF DOME-SHAPED SHELLS

The results of experimental-technologic work of hot forming by gas hemispherical shells processing form high-strength materials are provided.

Key words: high strength material, hemispherical detail, deforming, pneumatic form, short-durated creeping, pressure, temperature, piece.

Получено 17.08.11