CC BY
35
3. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев, С.Н. Ларин [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
V.D. Kuhar, S.S. Yakovlev, S.N. Larin
THE MATHEMATICAL MODEL OF TRILAMINAR SHEET CONSTRUCTIONS FROM THE ANISOTROPIC MATERIAL DEFORMATION POSSESSING KINETICAL THEORY OF CREEPING AND DAMAGING
The mathematical model of the isothermal pneumatic forming of trilaminar sheet constructions from the anisotropic material deformation possessing kinetical theory of creeping and damaging is shown. The influence of the initial material’s mechanical properties anisotropy, of law of load parameters stressed and deformed states, power circumstances and extreme deformation levels of high-strength materials isothermal deforming is shown.
Key words: anisotropy, trapezoidal element, kinetical theory, stress, deformation, failure, pressure, creeping, deforming, pneumatic forming.
УДК 621.983; 539.374
B.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор,
(4872) 35-14-82, [email protected],
C.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц.,
(4872) 35-14-82, [email protected],
А.В. Бессмертный, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ПО ИЗОТЕРМИЧЕСКОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ СТРИНГЕРНЫХ ТРЕХСЛОЙНЫХ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Приведены результаты экспериментально-технологических работ по изотермическому деформированию стрингерных трехслойных листовых конструкций.
Ключевые слова: трапег/иевидный элемент, стрингерная конструщия, кратковременная ползучесть, разрушение, давление, формоизменение, пневмоформовка.
Экспериментально-технологические работы проводились применительно к изготовлению одно- и многослойных пустотелых панелей корпусов изделий с продольными гофровыми каналами, удовлетворяющими техническим условиям эксплуатации (необходимые уровень прочности, коррозионной стойкости и герметичности в заданных условиях), из специальных листовых титановых материалов типа ВТ6, ВТ6С, ВТ 14, ВТ20 и
ВТ23, алюминиевых сплавов АМгб, 1511, 1971, 1911 и 1201, применяемых в авиационно-космической технике [1-3].
Исследования выполнены с целью отработки технологических схем изготовления (на одной рабочей позиции - формообразование и сварка давлением), возможностей их реализации, установления температурноскоростных режимов деформирования, определения давления газа, предельных степеней деформации и оценки качества изделий, а также проверки соответствия результатов теоретических расчетов экспериментальным данным.
Оценка качества включала следующие показатели: соответствие геометрии панелей чертежам, металлографию материала и прочность конструкции по условиям отраслевых нормативов.
Листовые титановые и алюминиевые сплавы являлись мелкозернистыми с размером зерен менее 7... 10 мкм, что обеспечивалось заводом-
з
изготовителем, высокопрочными с пределом прочности до 1,2*10 МПа
2
для титановых и до 3,5-10 МПа для алюминиевых сплавов. Эти сплавы структурно устойчивы при длительных процессах горячей обработки давлением. При соответствующих температурно-скоростных режимах обработки эти материалы проявляют высокую способность к формоизменению.
При отработке технологических режимов параметры процесса диффузионной сварки контролировались следующими приборами:
по температуре - платино-платинородиевой термопарой типа ПП-1 в комплекте с электронным потенциометром типа КСП-4;
по вакууму - манометрическими преобразователями типа ПМТ-2 и ПМИ-2 и вакуумметром типа ВИТ-2А;
по сжимающей силе - динамометром типа ДОСМ-5; по времени - секундомером;
по перемещениям (величине деформации) - индикатором типа КИ с ценой деления 0,01 мм.
Законы изменения давления газа р во времени деформирования /, обеспечивающие возможность изготовления многослойных листовых конструкций с заданными геометрическими размерами, рассчитывались на ЭВМ по методикам, изложенным в работах [2, 3].
Для экспериментальных работ использовалась установка на базе гидравлического пресса модели ДА2234 силой 1,6 МН, оснащенного системой нагрева оснастки до 1000 °С, вакуумной системой, обеспечивающей остаточное давление 66,7 • 10-4 Па, системой газоподачи аргона в штамп под давлением до 5 МПа, системами контроля и регулирования всех параметров технологического процесса. Пуансоны и матрицы изготавливались из теплостойкой стали 5ХНМ или жаростойкой стали ЭП202. Уменьшение теплопередачи из зоны деформации обеспечивалось путем
набора прокладок из стали 12Х18Н10Т и асбоцементных плит. Штампы закрывались кожухом с коалиновой ватой, прошитой со стеклотканью.
Габариты опытных панелей, изготовленных на установке, составляли 300x300 мм. Технологические режимы формоизменения и диффузионной сварки для изготовления изделий (панелей) размерами до 500x500 мм отрабатывали на специальном пресс-вакуумном блоке с рабочим усилием от шароцилиндра 1,6 МН.
Металлографический анализ структуры материалов проводился на микроскопе «Неофот-32», а механические испытания - на разрывной машине для стандартных испытаний на растяжение.
Конструкторские испытания механических свойств панелей (определение разрушающих нагрузок) проводились в соответствии с отраслевыми нормативами на специальных установках.
Гофровые трехслойные панели из титановых и алюминиевых сплавов используются для корпусов изделий. Они хорошо работают на осевое сжатие, поперечный и продольный изгибы.
Процессы формообразования гофровой конструкции трехслойной панели экспериментально отрабатывались в соответствии с технологической схемой (рис. 1). При этом исследовали два варианта технологических процессов: предварительное соединение листовых заготовок диффузионной сваркой при давлении газа и сварку листов плавлением (роликовая сварка и электронно-лучевая). Первый вариант применяли для титановых сплавов, второй - для алюминиевых, так как титановые сплавы образуют соединение, равнопрочное основному металлу, выдерживающее растягивающие нагрузки на шов при формовке. Соединение алюминиевых сплавов здесь недостаточно стабильно по прочности.
Листы 1, 2, 3 из титановых сплавов после обезжиривания в бензине, обезвоживания спиртом и сушки покрывали антидиффузионным слоем в местах формовки, вваривали газовводы и пакетом укладывали в штамп 4. Исходные наружные листы (обшивки) 1, 2 имели толщину в пределах
1...2 мм, внутренний лист (заполнитель) 3 - 0,5... 1 мм.
Размеры панелей в плане были до 500 мм, строительная высота -
20...30 мм, угол конуса полости трапециевидного элемента составлял
30...45°. Трехслойный пакет сваренных заготовок нагревали до
450...530 °С (алюминиевые сплавы) и до 875...930 °С (титановые сплавы)
_7
в штампе 4 в атмосфере инертного газа (аргон) или в вакууме 66,7*10 Па, герметизировали по контуру давлением плунжера гидропресса.
Г аз (аргон) от баллона подавали на пакет заготовок (см. рис. 1, а), осуществляя диффузионную сварку под давлением до 5 МПа в течение 10 мин с выдержкой под этим давлением до 30 мин. При
_з
этом из пакета заготовок производилась откачка газа до 66,7 • 10 Па, что
фиксировалось вакууметрами насосной и трубопроводной системами в непосредственной близости от штампа. Подачу газа на пакет прекращали, ва-куумирование останавливали и подавали газ в пакет заготовок. В течение всего процесса давление газа поддерживали до 2 МПа для титановых сплавов и до 1,5 МПа - для алюминиевых. Выдержка под давлением пресса в течение 10... 15 мин обеспечивала калибровку давлением газа всех зон конструкции. Аргон подавали между заготовками через гермовводы. При увеличении давления во времени обшивки формовали в полости штампа, растягивая этим внутренний лист с образованием гофровых полостей 5 (см. рис. 1, б).
в
Рис. 1. Технологическая схема формообразования гофроеой панели: а - сварка; б - формоизменение; в - калибровка: 1, 2 - наружные листы (обшивки); 3 - внутренний лист (заполнитель); 4 - штамп;
5 - гофровыеячейки; 6 -места сварки; 7- панель
Процесс продолжали до стадии калибровки изделия в полостях штампа (рис. 1, в) и выдерживали под давлением до 5 МПа. Штамп и изделие охлаждали со сбросом давления. На рис. 2 показаны элементы гофровых панелей в стадиях отработки.
Графики давления газа, обеспечивающие формоизменение изделия за различные интервалы времени операции, приведены на рис. 2.
в
Рис. 2. Элементы гофровых панелей: а-из титанового сплава ВТ14 перед калибровкой; б, в - из алюминиевых сплавов 1971,1911 после калибровки
Законы изменения давления газа р во времени деформирования I
рассчитывались на ЭВМ по методике, изложенной в работе [3]. Сопоставления теоретических и экспериментальных данных по геометрическим размерам изготавливаемых гофровых панелей на этапах нагружения заготовок из исследуемых материалов при рассматриваемых условиях деформирования указывают на удовлетворительное их согласование (до 10 %).
Рис. 3. Экспериментальные графики давлений формообразования гофровой панели за 600 и 800 с (формовка) с последующей
термофиксацией
Таким образом, весь процесс проходил по стадиям: нагрев с вакуумированим или напуском аргона; герметизация пакета заготовок - сварка; формообразование растяжением; калибровка с охлаждением под давлением.
Во всех вариантах технологии давление газа при формообразовании не превышало 1 МПа и время процесса - 15...20 мин. Типовая конструкция панели имеет листы толщиной 1 мм, высотой 20 мм, угол между заполнителем и обшивкой - 45 °. При формообразовании панели из алюминиевых
сплавов 1971, 1911, АМгб при 450...500 °С максимальное давление газа составило 0,75 МПа независимо от времени операции. Для панели из титанового сплава ВТ14 при / = 875°С требовался рост давления до 0,5 МПа при времени формообразования 15 мин и 0,65 МПа при 10 мин. Снижение времени операции здесь требует увеличения давления и может привести к обрыву внутреннего листа. Утонение внутреннего листа постоянно, не зависит от времени операции для алюминиевых сплавов (до 0,5...0,6 мм) и меняется в зависимости от режима времени для титанового сплава (от 0,5 до 0,3 мм). Уменьшение угла конуса полости трапециевидного элемента
менее чем на 30°, сопровождается, как правило, разрывом внутреннего листа, что хорошо согласуется с результатами теоретических расчетов.
Все перечисленные выше факторы находят подтверждение в теоретических расчетах.
Образцы панелей показаны на рис. 3.
в
Рис. 3. Образцы экспериментальных панелей: а - титановые ВТ 14 и ВТ20; б, в - алюминиевые сплавы АМгб и 1911
Температурно-скоростные условия здесь определяют технологические параметры формообразования мелкозернистых сплавов в условиях вязкого течения материала. Металлографический анализ, проведенный на приборе "Ниофот", показал, что сплав практически не показал роста зерен. Этот факт удовлетворяет требованиям к конструкции из условий герметической стойкости в агрессивных средах (типа морской воды).
Механическими испытаниями установлено: предел прочности сплавов 1971, 1911 после формообразования панелей составлял 280...300 МПа, а после термообработки - 350 МПа; сплава АМгб - 200...230 МПа; титанового сплава ВТ14 - 900...930 МПа. Таким образом, обработка в режимах вязкого течения материала не приводит к падению прочности исходных материалов.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: справочник: в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2010. 717 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.
V.D. Kuhar, S.N. Larin, A.V. Bessmertniy
THE EXPERIMENTAL-TECHNOLOGIC WORKS ABOUT THE ISOTHERMAL DEFORMING OF STRINGER TRILAMINAR SHEET CONSTRUCTIONS
The results of the experimental-technologic works about the isothermal deforming of stringer trilaminar sheet constructions are provided.
Key words: trapezoidal element, stringer construction, short durated creeping, failure, pressure, deformation, pneumatic forming.
