Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Пленарное заседание

100

а б

Рис. 4. Схема комбинированной формовки (а) и фотографии изделий (б)

а б

Рис. 5. Схема формовки с использованием диафрагм (а)

и фотографии полученных изделий (б)

Эти процессы все шире используются в производстве аэрокосмической техники,

железнодорожного и автомобильного транспорта, строительной индустрии, в производстве

декоративно-художественных изделий и т.п. При сравнительно малой энергоемкости эти

процессы позволяют в несколько раз снижать трудоемкость изготовления полых изделий сложной

формы, сокращать число технологических переходов до одного - двух, устранять ручную

(жестяную и слесарную) обработку, сварку, клепку, чеканку и другие операции, требующие

высококвалифицированного ручного труда.

Особенно перспективными для аэрокосмической и оборонной промышленности являются

комбинированные процессы, в которых сочетается сверхпластическая формовка с диффузионной

сваркой (СПФ-ДС)

. Такие процессы создают условия для качественного скачка в технологии

производства крупногабаритных тонкостенных конструкций сложной формы, в частности,

несущих конструкций летательных аппаратов, которые могут заменить более тяжелые и менее

прочные конструкции, собираемые из многочисленных деталей болтовыми соединениями,

клепкой, сваркой и т.д.

Эти процессы открывают принципиально новые возможности в технологии обработки

сплавов на основе титана при создании конструкций летательных аппаратов. Объединить

процессы СПФ и ДС в один позволяет идентичность условий их проведения для титановых

сплавов: общий диапазон рабочих температур, малая скорость процессов, сопоставимые значения

требуемых давлений и необходимость ведения процессов в нейтральной среде. Это позволяет

обеспечить в ходе одной операции формирование из листового материала конструктивных

Пленарное заседание

101

элементов сложной формы и соединения их между собой или с другими элементами конструкции.

Применение СПФ/ДС значительно расширяет возможности по выбору наиболее рациональных

конструктивных решений, рассматриваемых ранее как неприемлемые из-за трудностей или

невозможности изготовления.

На рис. 6 показаны основные схемы типового процесса СПФ-ДС, иллюстрирующие его

возможности. Простейшей разновидностью СПФ-ДС является формовка листа с приваркой к нему

пластин жесткости (см. рис. 6, а). На рис. 6, б показана схема получения конструкций вафельного

или реберного типа. Готовая панель полностью соответствует форме матрицы, так как отсутствует

эффект пружинения, имеющий место при обычных методах формовки. К завершению процесса

материал отожжен, и напряжения полностью сняты.

Рис.6. Основные схемы процесса СПФ/ДС:

а)формовка листа с приваркой пластин жесткости; б)получение конструкции реберного типа;

в)получение трехслойной конструкции

Особенно наглядно возможности и преимущества метода СПФ-ДС проявляются при

изготовлении многослойных конструкций (см. рис. 6, в). В этом случае три или более листовые

заготовки с предварительно нанесенным в заданных участках антисварочным материалом («стоп-

материалом») устанавливают в приспособление, выполненное в виде матрицы и крышки,

помещают между нагревательными плитами гидравлического пресса, нагревают до заданной

температуры, сваривают между собой диффузионной сваркой, а затем производят формование

заполнителя подачей инертного газа между листами. В результате за одну операцию может быть

получена монолитная жесткая конструкция из листового материала.

При использовании такого способа возможно получение многослойных конструкций со

сложными контурами, поскольку проблем, связанных с подгонкой, не существует, так как

формование и диффузионное соединение происходят в состоянии сверхпластичности.

Окончательная форма полученных конструкций определяется контурами матрицы, а форма

заполнителя зависит от рисунка наносимого «стоп-материала». Процесс обеспечивает получение

большого разнообразия заполнителей (гофрового, в форме ряби на воде, ячеистого, вафельного и

др.), в том числе и заполнителей переменной конфигурации в пределах одной и той же панели. В

матрицу могут быть предварительно уложены различные конструктивные элементы, а затем сразу

же в одной операции диффузионно соединены с панелью. Таким образом можно внести в

конструкцию усиливающие накладки, фитинги, законцовки, стыковочные и крепежные узлы и т.п.

При этом точность получаемых конструкций определяется только точностью инструмента,

Пленарное заседание

102

изготовляемого с учетом разности коэффициентов термического расширения титана и материала

инструмента.

Процесс СПФ-ДС трехслойных цилиндрических оболочек (рис. 7) отличается

использованием в качестве заготовок цилиндрических обечаек и конструкцией оснастки.

Рис. 7. Получение трехслойных

гофровых конструкций из

трубных заготовок методом

СПФ/ДС:

1 - оснастка;

2 - трубные заготовки;

3 - антисварочное покрытие;

D=80...120

мм; d=60...100 мм;

h=10...30 мм; S=0,6...2,0 мм;

L=300...1000 мм

Типовой технологический процесс СПФ/ДС многослойных панелей (рис. 8) включает

следующие основные операции: резку листа на заготовки; нанесение на лист заполнителя с

двух сторон в заданных местах “стоп-материала”; сборку листов обшивок и заполнителя в

пакет, установку пакета в приспособление и загрузку в установку для СПФ/ДС; создание в

рабочей камере установки разрежения; нагрев приспособления до заданной температуры и

поддержание ее в течение всего процесса; диффузионную сварку листов по периметру и на

участках, не покрытых “стоп-материалом”; формовку панели путем подачи аргона между

обшивками с регулированием величины давления по ходу процесса; охлаждение устройства и

извлечение готовой панели.

Рис. 8. Схема осуществления процесса

СПФ/ДС:

1, 2, 3 -

листовые заготовки;

4 - “стоп-материал”;

5 - матрица;

6 - крышка

На рис. 9 и 10 показаны образцы многослойных панелей с различным заполнителем,

полученные методом СПФ из сплавов ВТ6ч и ВТ20. Габаритные размеры панелей 250х400 мм,

высота панелей 10…30 мм.

Пленарное заседание

103

70°

Рис. 9. Трехслойная панель

фрагмента противопожарной

перегородки

(сплав ВТ6ч, габаритные

размеры 25х500х700 мм)

Рис. 10. Многослойная СПФ/ДС-

панель

с двойным гофровым

заполнителем

0.3

60°

Опытные работы свидетельствуют о высоком качестве СПФ/ДС конструкций и

соответствии их производственным и эксплуатационным требованиям. Металлографические

исследования и механические испытания показали, что структура и механические свойства

материала, прошедшего обработку в условиях СПФ/ДС процесса, при соблюдении

оптимальных режимов, незначительно отличаются от исходных.

Представляет интерес технология изготовления тонкостенных шаровых баллонов с

использованием метода СПФ/ДС (рис. 11). Авторами разработана и внедрена серия

соответствующих технологических процессов изготовления шаровых баллонов высокого

давления и топливных емкостей из высокопрочных титановых сплавов, а также методов

контроля качества изделий.

Рис. 11. Процесс

изготовления шаровых

баллонов:

а - сборка заготовок в

оснастке;

б - формовка шаровой

заготовки;

в - диффузионная

сварка штуцеров;

1 - труба подачи газа;

2 - штуцер;

3 -

дисковая заготовка;

4 - оснастка;

5 - штуцер;

ДС - диффузионное

соединение;

- давление

формовки;

св

- давление сварки

Уникальный процесс штамповки оребренных деталей оболочек на термоупругих прессах

Пленарное заседание

104

основан на использовании повышенной текучести сверхпластичных материалов — способности

их под действием сравнительно небольшого давления заполнять глубокие, узкие полости штампа.

Термоупругий пресс (рис. 12) — это нетрадиционное штамповочное устройство, в котором

тепловая энергия преобразуется непосредственно в работу деформации: рабочий ход

осуществляется в результате теплового расширения сердечника, а усилие создается термоупругой

деформацией системы «сердечник–заготовка–контейнер».

Рельеф оребрения (продольный, поперечный или вафельный) образуется за счет сжатия

заготовки, находящейся между сближающимися наружной поверхностью сердечника и

внутренней поверхностью контейнера, и заполнения частью металла заготовки негативного

рельефа на одной из рабочих поверхностей, соответствующего форме и размерам оребрения. При

использовании режимов сверхпластичности, как показывают исследования, возможно добиваться

полного оформления ребер, исключить дефекты типа утяжин, зажимов и прострелов.

Традиционная технология получения подобных изделий механическим, химическим или

электрохимическим фрезерованием связана с потерей в отходы 80–95% металла заготовки.

Штамповка на термоупругих прессах позволяет в несколько раз увеличить КИМ, снизить

трудоемкость производства, повысить качество готовых изделий в результате устранения

подрезания волокон исходной заготовки.

Рис. 12. Термоупругий пресс:

слева - в рабочем положении; в центре - процесс сборки; 1 - штампуемая деталь; 2 - оправка;

3 - кольцевой контейнер; 4 - печь; 5 - прибор для регистрации температуры; справа - фото

Штамповка на термоупругих прессах характеризуется их уникально низкими

энергосиловыми параметрами, низкой себестоимостью и благоприятно ориентированной

макроструктурой готовых изделий. Однако существенным недостатком метода термоупругой

штамповки является наличие операции разрезки отштампованной обечайки с целью снятия ее с

неразборного пуансона. В результате приходится вторично выполнять все технологические

операции, применяемые при изготовлении заготовки под термоштамповку (вальцовка,

фрезерование кромок под сварку, травление, сварка и т.д.). Это значительно усложняет процесс,

существенно снижает его технико-экономическую эффективность. Кроме того, в обечайке

появляется шов с литой микроструктурой, который по своим прочностным характеристикам

уступает свойствам основного материала, что вызывает необходимость создания упрочнения в

зоне шва и приводит к увеличению массы изделия. Метод газостатической формовки обечайки на

Пленарное заседание

105

пуансоне в состоянии сверхпластичности дает возможность одновременно осуществлять съем

оболочки и ее калибровку, а также придавать ей кроме цилиндрической другие формы

(коническую, овальную и др.). На рис. 13 дана фотография элемента оребренной обечайки после

пневмосъема с пуансона термоупругого пресса.

Рис. 13. Оребренные обечайки после пневмосъема с термоупругого пресса

Отмеченные выше особенности вязкого течения сверхпластичных материалов позволяют

также расширить возможности и повысить эффективность точной изотермической объемной

штамповки деталей сложной формы, добиваясь при этом снижения до минимума отходов

металла, уменьшения усилия штамповки, затрат энергии на процесс деформации, снижения

трудоемкости производства, повышения качества продукции. В режимах сверхпластичности

штампуют точные поковки сложной формы и больших размеров из малопластичных материалов.

В отличие от штампованных поковок обычной точности, требующих, как правило,

значительной обработки резанием по всей поверхности, точные штампованные поковки

обрабатываются лишь в местах сопряжения и на тех участках, где предусмотрено сверление или

вырубка отверстий. При штамповке точных поковок обеспечиваются жесткие допуски,

минимальные радиусы закруглений и штамповочные уклоны и в результате КИМ равен 0,8 и

более (у поковок обычной точности — в среднем 0,2–0,5), что особенно важно при производстве

изделий из дорогостоящих и дефицитных материалов. При этом, если штампуются поковки малых

и средних размеров, изготовление которых не лимитировано мощностью имеющихся прессов,

эффект от использования сверхпластичности связан, главным образом, со снижением отходов

металла, уменьшением объема и трудоемкости обработки резанием, повышением качества

деталей. Этот эффект тем значительнее, чем дороже обрабатываемый сплав и чем он труднее

деформируется в обычных условиях.

Сверхпластичность в этом случае наиболее целесообразно использовать при штамповке

тонкостенных деталей сложной формы с развитой поверхностью. Использование режима

сверхпластичности в случае деталей с развитой конфигурацией поверхности позволяет увеличить

количество необрабатываемых поверхностей с 5–20% при грубой штамповке до 50–80% при

точной штамповке в условиях сверхпластической деформации.

Примером эффективности использования процесса штамповки в состоянии

сверхпластичности может служить изготовление из сплава МА2-1 крупногабаритной

тонкостенной панели с лучевым оребрением (деталь ракеты площадью около 0,8 м

, рис. 14). При

получении такой панели обычной штамповкой удельные усилия составили бы около 400 МН/м

т.е. потребовался бы пресс усилием свыше 300 МН. Деталь штамповали в состоянии

Пленарное заседание

106

сверхпластичности на прессе усилием 150 МН. При температуре нагрева 380–400 °С для хорошего

оформления рельефа необходимо усилие 130–145 МН, а при температуре 450 °С — 80 МН.

Рис. 14. Панель с лучевым оребрением из магниевого сплава МА2-1

Изотермическая штамповка позволяет исключить деформационное упрочнение,

возникающее в тонких сечениях из-за захолаживания при контакте со штампом. Управление

микроструктурой позволяет обеспечить изготовление деталей с повышенными и более

однородными механическими свойствами и приводит к значительному уменьшению вероятности

образования трещин при штамповке.

Заключение.

Преимущества, связанные с использованием сверхпластичности в процессах обработки

металлов давлением, достигаются вследствие существенного усложнения технологии,

обусловленной подготовкой структуры исходных заготовок, регламентацией температурного и

скоростного режимов деформации. Поэтому для определения целесообразности использования

эффекта сверхпластичности в процессах металлообработки необходимо провести

предварительный технико-экономический анализ, для оценки соотношение затрат на усложнение

технологического процесса и достигаемого при этом улучшения материальных и стоимостных

показателей эффективности процесса. Рассмотрим некоторые соображения, которые позволяют

рационально решать эти проблемы.

При решении вопроса о целесообразности подготовки ультрамелкозернистой структуры

исходного полуфабриката (сложность и стоимость этого процесса возрастает пропорционально

степени измельчения зерна) следует, прежде всего, попытаться решить конкретную

технологическую задачу (снижение усилия, повышения КИМ и т.д.), используя деформирование

полуфабриката с неподготовленной структурой в режиме сверхпластичности, а точнее используя

вязкое поведение деформируемого сплава в той степени, которую он способен показать в

Пленарное заседание

107

состоянии поставки. Иными словами, сплав деформируется при таком сочетании температуры и

скорости деформации, при которых показатель m максимален. Часто, если m=0,25-0,3, то этого

достаточно, например, для снижения необходимого давления или усилия деформации в 2…3 раза

в результате рационализации температурно-скоростного режима деформирования, не вводя

трудоемкую операцию подготовки структуры. Подготовка ультрамелкозернистой, субмикронной

или нанокристаллической структуры заготовок с последующим деформированием, как принято

называть, в состоянии сверхпластичности, то есть при оптимальных температурно-скоростных

условиях (m

max

), необходима лишь для процессов, полностью основанных на эффекте

сверхпластичности, таких, как сверхпластическая формовка полых изделий из листовой заготовки,

СПФ-ДС, термоупругая штамповка и т.п.

Средством для регламентации температурного режима деформации являются

изотермические блоки, предназначенные для нагрева деформирующего инструмента до заданной

температуры и поддержания ее постоянной в период работы штамповочного агрегата.

Изотермический блок - сложное и дорогое устройство, в состав которого входит аппаратура для

контроля и регулирования температуры штампа. Однако в некоторых случаях, особенно при

штамповке крупногабаритных деталей из легких сплавов, условия деформации, близкие к

изотермическим, можно создать и без изотермического блока, предварительно нагревая штампы

до необходимой температуры и используя аккумулированную в массивных штампах теплоту.

Решение вопроса регламентации скоростного режима деформации связано с выбором

оборудования для процессов СПД. Пониженная скорость деформации, необходимая для

обеспечения СПД, считается серьезным препятствием для практического применения

сверхпластичности в процессах обработки металлов давлением, в частности, при горячей

объемной штамповке, так как прямым следствиями этого являются снижение производительности

штамповки и необходимость реконструкции привода гидравлических прессов. Однако опыт

освоения этих процессов в производственных условиях, накопленный к настоящему времени,

показывает, что режим СПД при объемной штамповке целесообразно использовать лишь на

заключительной стадии процесса - при заполнении наиболее труднозаполняемых элементов ручья

штампа (углов, узких глубоких полостей и т.п.). Для осуществления этого процесса требуется

максимальное усилие штамповки при стандартной скорости рабочего хода пресса. Обеспечить на

этой стадии требуемое снижение скорости деформирования, не реконструируя привод пресса,

можно, используя режим крип-штамповки (выдержка заготовки на заключительной стадии

штамповки под постоянным давлением), либо режим периодических нажатий. Поскольку

заключительная стадия составляет лишь очень малую часть всего рабочего хода, снижение в ее

пределах скорости деформации до уровня режима СПД слабо влияет на производительность

процесса штамповки. Однако режим крип-штамповки отрицательно сказывается на стойкости

уплотнений рабочих цилиндров гидравлических прессов. Поэтому более радикальное решение

данной проблемы - оснащение гидравлических прессов, предназначенных для штамповки в

режиме СПД, программными регуляторами скорости рабочего хода, которые обеспечивают

рациональный, двухстадийный скоростной режим штамповки. Первая стадия осуществляется при

стандартной скорости рабочего хода пресса, вторая (доштамповка) - при оптимальной скорости

СПД. Программа работы регулятора скорости базируется на детальном изучении механики

течения металла в штампе и оптимизации этого процесса по энергосиловым и кинематическим

параметрам.

В настоящее время для процессов СПД в большинстве случаев используются серийные

гидравлические прессы универсального назначения. Однако, принимая во внимание описанные

выше особенности СПД и средства обеспечения режимов СПД, следует признать целесообразным

Пленарное заседание

108

создание для этих целей специализированных прессов, которые наряду с обеспечением их

программными регуляторами скорости должны отличатся от универсальных прессов

увеличенными размерами рабочего пространства для размещения изотермического блока.

Использование в этих случаях универсальных прессов приводит к существенной их недогрузке,

так как размещение в рабочем пространстве такого пресса изотермического блока в 1,5…2 раза

сокращает размеры штампа и, соответственно, штампуемых деталей. Применение режимов СПД

позволяет также в несколько раз уменьшить необходимое для штамповки давление. В результате

этого рабочее пространство серийного гидравлического пресса не позволяет штамповать детали

таких размеров, которые в режиме СПД соответствуют возможностям пресса по номинальному

усилию.

При оценке СПФ листовых заготовок наиболее существенными факторами являются

стоимость материала заготовки и время формовки. Увеличение этих показателей снижает

эффективность процесса (рис. 15). Анализ показывает, что для СПФ деталей из алюминиевых

сплавов существует определенная область на шкале серийности (от нескольких десятков до

нескольких тысяч штук в год), в пределах которой эта технология эффективна.

Рис. 15. Диаграмма влияния

стоимости материала заготовки и

времени формовки на эффективность

процесса СПФ:

1 - потери;

2 - прибыль;

3 - линия постоянной

себестоимости;

4 -

исходная ситуация;

5 - малая прибыль;

6 - идеальная цель

Таким образом, проведенный анализ позволяет в общих чертах определить перспективные

области применения процессов СПД и изотермической штамповки с использованием эффекта

сверхпластичности. К ним, прежде всего, относятся деформирование малопластичных и

труднодеформируемых сплавов, формовка и штамповка крупногабаритных тонкостенных изделий

сложной формы с развитой поверхностью и глубокими полостями. При этом для особо сложных

изделий целесообразно использовать комбинированные процессы, например, формовку с

диффузионной сваркой. Из этого следует, что, использование новой технологии, по крайней мере,

при современном уровне ее развития для замены существующих высокопроизводительных

процессов обработки давлением достаточно пластичных сплавов, особенно, в условиях

крупносерийного и массового производства - нецелесообразно. В данном случае незначительный

технологический эффект не окупит существенные дополнительные затраты на реализацию

процессов СПД.

Использование технологии СПФ в настоящее время сдерживается рядом причин:

ограничен выбор сверхпластичных сплавов с необходимым комплексом свойств, велики расходы

на разработку и освоение новых сплавов, относительно высока стоимость существующих

сверхпластичных сплавов, для СПФ характерны относительно малые скорости формовки,

Пленарное заседание

109

конструкторы изделий недостаточно знают возможности этой технологии. Кроме того, технология

СПФ должна хорошо сочетаться с существующими технологиями соединения, сборки и отделки

изделий. Очевидно, что в тех случаях, когда качество и надежность изделий ответственного

назначения являются определяющими для принятия решения о реализации новой технологии,

подход к анализу эффективности этой технологии будет во многом зависеть от других критериев.