CC BY
43
УДК 621.983; 539.374
С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@ramЫer.щ (Россия, Тула, ТулГУ),
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf-tula@ramЫer.щ (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, mpf-tula@rambler.щ (Россия, Москва, МИИТ)
ШТАМПОВАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНО- И МНОГОСЛОЙНЫХ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Приведены типовые варианты штамповой оснастки для изготовления одно- и многослойных листовых конструкций из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
Ключевые слова: высокопрочные материалы, превмоформовка, вязкость, пластичность, штамповая оснастка.
Одной из проблем, стоящей перед машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающими максимально возможные эксплуатационные характеристики. Решение этой проблемы может быть достигнуто созданием научно обоснованных технологий формообразования, учитывающих анизотропию механических свойств, упрочнение, вязкие свойства материала заготовки, термомеханические режимы обработки и другие особенности процессов.
Конструкции изделий ответственного назначения определяют применение высокопрочных материалов и изготовление деталей и узлов со специальными зависящими от условий эксплуатации характеристиками. Формирование характеристик изделий закладывается прежде всего процессами обработки давлением в режимах деформирования с нагревом, когда значительно проявляются пластические и вязкие свойства материалов. К эффективным технологическим процессам относится медленное изотермическое формоизменение. Обрабатываемые материалы, как правило, обладают анизотропией механических свойств, обусловленной конкретным материалом и технологическими режимами его производства и влияеющей на технологические процессы обработки давлением.
Медленное горячее формоизменение листовых заготовок избыточным давлением газа (пневмоформовка) и диффузионная сварка могут быть применены в производстве сложных многослойных конструкций с различной конфигурацией базовых элементов и листовых панелей [1, 2].
Технологические методы производства многослойных листовых конструкций связаны с процессами механической обработки резанием,
прокатки, сварки плавлением или пайки, соединения элементов клепкой, раздувания канала внутренним давлением и т.д. Это достаточно трудоемкие процессы обработки, требующие высокой исходной точности заготовок и полуфабрикатов, длительного цикла обработки, приводящие к высокому расходу металла, а также применению большого числа сборочных единиц и крепежных деталей, что повышает себестоимость изготовления деталей в условиях мелкосерийного и среднесерийного производства. Технологический уровень производства требует больших затрат и в целом мало эффективен. Реализация эффективности технологии может быть обеспечена внедрением технологических методов обработки, построенных на совмещенных процессах формоизменения газом из листа с термофиксацией, формоизменения с диффузионной сваркой давлением на одной позиции обработки. В основу процессов положена способность материалов в определенных температурно-скоростных условиях к вязкому или вязкопластическому течению материала, что обеспечивает большие конечные деформации при сравнительно малых внешних силах и высокую точность получаемых геометрических форм.
Рассмотрим типовую штамповую оснастку, которая используется при изготовлении одно- и многослойных листовых конструкций из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести [1,2].
Универсальный штамп для газоформовки полусферы полутора представлен на рис. 1.
Матричная вставка штампа сменная из сплава ХН67ВМТЮ (ЭП 202), блок литой из стали 45. Направление движения заготовки реверсируют и штампуют ее по нижней матрице 8, которая соответствует геометрии изделия, т.е. формуют окончательно. Реверсирование позволяет обеспечить большую равномерность толщины изделия по образующей. В общем ^
случае неравномерность может Рис.1. Универсалшый блок-штамп
быть в пределах 25 30 % для газоформовки полусферы, полутора
Установка закрыта кожухом 7, базируется на плите 4 и отделена от монтажного стола асбоцементной прокладкой 5. Рабочие части установки закрыты теплоизоляционной каолиновой ватой 6. Форма изготавливаемой оболочки может быть изменена при замене матриц 11, 2 на матрицы требуемого профиля.
Штамп может устанавливаться на гидропрессе или эксплуатироваться как автономный клинозажимной блок с системой нагрева.
Листовая заготовка 1 помещается на матрице 9, закрывается в штампе и в среде аргона, подаваемого через штуцеры 3, 12, нагревается до температуры 450...480 °С для алюминиевых сплавов и 875...930°С - для титановых от встроенных нагревателей 10. Полость штампа герметизируют клиновыми зажимами 8. Давление газа, подаваемого через нижний штуцер, увеличивают и формуют заготовку предварительно по профилю верхней матрицы 11. Нижний штуцер перекрывают и подают газ, увеличивая давление, через верхний штуцер. Испытания оболочек на внутреннее давление и проверка герметичности показали их соответствие эксплуатационным требованиям. В заданных условиях эксплуатации обеспечиваются необходимые уровни прочности, коррозионной стойкости и герметичности.
Одии из штампов к пресс-вакуумной установке показан на рис. 2.
1 2 3
а
к вакуумному х насосу
Рис. 2. Штамповый блок к пресс-вакуумной установке: а - формообразование; б - диффузионная сварка; в - изделие
мембрану
б
Штамп состоит из верхней 1 и нижней 8 водоохлаждаемых по каналам 3 плит с возможностью подъема верхней плиты захватом 3. На нижней плите уложена двухслойная газонажимная мембрана 6 из стали 65Г. Мембрана герметично сварена по контуру. Газ в нее подается через штуцер 7. Газ для технологической операции формообразования подают через
газоввод 4, который может переключаться на вакуумную систему. Рис. 15.21, а соответствует операции формообразования листа 2 на вставках 9 давлением газа, подаваемого на этот лист. При полном оформлении ячеек 10 начинают операцию сварки в соответствии со схемой рис. 2, б. Для этого внутренний объем вакуумируют включением насосной системы.
Подачу газа переключают в мембрану 6, под действием которой вставки 9 поднимаются, и за счет контактного давления осуществляют диффузионную сварку вертикальных стенок ячеек 11 с листом 12 в зонах 10. После выдержки под давлением производят охлаждение и отключают подачу газа. Раскрывают вакуумную камеру и штамп, изделие извлекают. При установке собственных нагревательных элементов штамп можно устанавливать в зажимной блок, не используя пресс-вакуумную установку.
Блок стационарный для формообразования и диффузионной сварки давлением газа изображен на рис. 3.
а
Рис. 3. Блок к вакуумной установке: а - блок; б, в - изделия
в
Корпуса 1, 6 блока из стали 35ХГС закрыт теплоизолятором 5, которым может быть огнеупорная кирпичная смесь или каолиновая вата, и помещен в кожух 4 из листовой стали Ст3. Корпус состоит из нижней и верхней подъемных частей. По их торцам проложен резиновый шланговый уплотнитель 3, надуваемый водой. Нагреватели 6 установлены в полостях разъемного штампа 8. Стенки камеры закрыты от зоны интенсивного нагрева набором листовых экранов 2 из стали 12Х18Н10Т. Штамп изготовлен из стали ЭП202. Рабочее пространство блока вакуумируется системой диффузионных насосов. В раскрытом состоянии в штамп устанавливают пакет исходных заготовок, блок закрывают и подают воду в шланговый уплотнитель, обеспечивая герметизацию внутреннего объема блока.
2
Включают вакуумные насосы и при степени разряжения 2*10" мм рт. ст. начинают нагрев штампа до необходимой температуры. При разряжении 10" мм рт. ст. штамп смыкают и подают в него на заготовки или между ними газ (аргон), увеличивая давление в соответствии с технологическим
процессом изготовления изделия 9. Остывание до 200 °C штампа производят при работающей вакуумной системе, после чего насосы выключают и раскрывают блок.
Технические параметры блока размеры блока.........................500x1000 х 2000 мм;
температура нагрева...................до 900 ° C;
3
степень вакуумирования................ 10 мм рт.ст.
На рис. 4 показана оснастка к стационарному блоку для формообразования двухслойных радиаторных панелей.
еакуу
мироеангщ
У//УЛ\//7ЯТ,
а
ввод
газа
■ /
УХ у////, Г//////
Г V 1 1 1 1 шт 1
1
\\ч ч\\\\\ \\ \\WKW
1 ' ЇЇ2
газа
б
Рис. 4. Оснастка к блоку для изготовления радиаторных панелей: а - стадия диффузионной сварки; б - стадия формоизменения; в - изделие
в
Оснастка состоит из верхней 1 и нижней 6 плит, между которыми жестко установлены нажимные пуансоны 4. В пакетах имеются каналы 7 для установки газовводов и термопар. Листы 3, 2 алюминиевых сплавов после ионного травления и вакуумного напыления меди на места соединений устанавливают в оснастке. При этом на один из листов вварен штуцер, через который осуществляется подсоединение к вакуумной системе. Зазор между листами вакуумируют, после чего контактным давлением через пуансон 4 диффузионно эти листы соединяют в зонах 5. Подача газа (аргона) под давлением между сваренными листами приводит к формообразованию каналов 12. Одновременно с этим газ подают на наружные поверхности заготовок, производя сварку в местах 8 заготовок. После охлаждения и рас-
крытия оснастки изделие 10 удаляют. Данная оснастка может быть установлена в вакуумной пресс-камере или в стационарном блоке.
Штампы, устанавливаемые в камерах и блоках для формообразования многослойных панелей, работают в условиях повышенных температур и внутренних давлений. Для обработки титановых сплавов применяли жаростойкие сплавы типа ЭП202, ЭП56, стали типа 12Х18Н10Т, для алюминиевых сплавов - стали типа ЭИ815 и теплостойкие стали типа 5ХНМ. Типовые конструкции оборудования и штампов разработаны, изготовлены, имеется опыт их эксплуатации.
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 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. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.
2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
S. Larin, S. Yakovlev, V. Chudin
The die tooling for producing of mono- and multilayered plate structures form high-strength materials in the mode of short-durated creeping conditions
The typical variants of die tooling for producing of mono- and multilayered plate structures form high-strength materials in the mode of short-durated creeping conditions are given.
Key words: high-strength materials, pneumatic forming, viscosity, plasticity, die
tooling.
Получено 04.08.10
