Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии штамповки анизотропных материалов.. 13
1.1. Анализ существующих технологий изготовления полусферических тонкостенных днищ. Пути повышения эффективностиих изготовления 13
1.2. Глубокая вытяжка 16
1.3. Анизотропия материала заготовок и ее влияние на процессы штамповки 20
1.4. Основные выводы и постановка задач исследований 28
2. Основные соотношения пластического деформирования анизотропных материалов 31
2.1. Условие текучести. Ассоциированный закон пластического течения 31
2.2. Плоское напряженное состояние анизотропного материала 33
2.3. Феноменологические модели разрушения 37
2.4. Основные результаты и выводы 41
3. Теоретические и экспериментальные исследования операций вытяжек осесимметичных деталей из анизотропных материалов 42
3.1. Исследования первой операции вытяжки в радиальной матрице 42
3.1.1. Напряжения и сила 42
3.1.2. Силовые режимы первой операции вытяжки 48
3.1.3. Влияние анизотропии механических свойств на силовые режимы 52
3.1.4. Предельные возможности формоизменения 53
3.1.5. Влияние анизотропии механических свойств на предельные возможности формоизменения 59
3.2. Многооперационная вытяжка ступенчатых осесимметричных деталей из анизотропного материала 61
3.2.1. Основные предположения и соотношения. Схема процесса 63
3.2.2. Напряжения и сила 68
3.2.3. Предельные возможности формоизменения 72
3.2.4. Влияние анизотропии механических свойств на предельные возможности формоизменения 78
3.2.5. Экспериментальные исследования силовых режимов 82
3.3. Экспериментальные исследования связи характеристик анизотропии с кристаллографической текстурой 84
3.3.1. Влияние кристаллографической текстуры на коэффициент нормальной пластической анизотропии ГПУ - металлов 84
3.3.2 Влияние длительности отжига на текстуру листов из сплава ПТ-ЗВкт 93
3.3.3. Исследование изменений текстуры многопереходной штамповки-вытяжки полусферических днищ из листов титанового сплава ПТ-ЗВкт 95
3.3.4. Исследование влияния режимов отжига на глубину газонасыщенного слоя полусферических днищ из титанового сплава ПТ-ЗВкт 103
3.4. Основные результаты и выводы 105
4. Использование результатов исследований .. 109
4.1. Рекомендации по проектированию технологических процессов глубокой вытяжки осесимметричных деталей 109
4.2. Технологические процессы изготовления полусферических тонкостенных деталей 114
4.2.1. Технология холодной штамповки полусферических тонкостенных днищ из листов титанового сплава ПТ-ЗВкт 114
4.2.2. Технология холодной штамповки детали «Диафрагма» из алюминиевого сплава А5М 127
4.3. Основные результаты и выводы 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
- Анизотропия материала заготовок и ее влияние на процессы штамповки
- Влияние анизотропии механических свойств на силовые режимы
- Экспериментальные исследования связи характеристик анизотропии с кристаллографической текстурой
- Технологические процессы изготовления полусферических тонкостенных деталей
Введение к работе
Общей проблемой машиностроения является повышение эффективности технологических процессов производства с обеспечением высоких эксплуатационных характеристик изделий. Это актуально для ракетно-космической техники и других отраслей промышленности.
Типовыми конструкциями изделий этих производств являются корпусные оболочки из листовых заготовок (обшивки отсеков, топливные баки различных форм и размеров, баллоны хранения газов и др.). Эти конструкции требуют применения высокопрочных материалов, трудоемки в обработке. Используются специальные титановые и высокопрочные алюминиевые сплавы.
Качество обработки влияет на тактико-технические характеристики изделий и их надежность. Трудоемкость производства в настоящее время велика и составляет 70...80 % общей трудоемкости изделия. При этом требуется парк оборудования различного назначения: прессового, сварочного, оборудования для электроэрозионной и механической обработки, сборочных стапелей и др.
Методы технологической обработки на базе резания, сварки, соединения клепкой, сваркой, пайкой не всегда обеспечивают требуемый уровень качества. Качество определяется удельной прочностью изделий, точностью геометрии форм, герметичностью, коррозионной стойкостью, уровнем повреждаемости материала на стадиях обработки. При этом не маловажен расход основных материалов и трудоемкость производства.
Прокат, используемый для процессов холодного и изотермического деформирования, как правило, обладает анизотропией механических свойств, которая зависит от физико-химического состава сплава, технологии его получения и температуры обработки. Анизотропия механических свойств заготовки оказывает существенное влияние на силовые, деформационные пара- метры процессов обработки металлов давлением, на качество получаемых изделий.
Технологические режимы обработки определяют степени формообразования, влияют на устойчивость деформаций, развитие несплошности материала и возможное разрушение. Они формируют качество изделий, что связано с анизотропией механических свойств, упрочнением материала, локальной потерей устойчивости заготовки и т.д.
Решение этой народнохозяйственной задачи может быть достигнуто за счет максимального использования внутренних резервов деформирования материала путем создания научно обоснованных технологий штамповки, учитывающих анизотропию механических свойств, упрочнение материала заготовки, термомеханические режимы формоизменения и другие особенности процессов обработки металлов давлением.
Работа выполнена в соответствии заказами Российского космического агентства, Департамента ракетно-космической промышленности Российской Федерации, с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования Российской Федерации, грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ на выполнение научных исследований (грант № НШ-4190.2006.8), грантом РФФИ «Исследование закономерностей пластического деформирования изотропных и анизотропных упрочняющихся материалов при обработке давлением» (№ 05-01-96705) и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» (проект № РНП 2.1.2.8355 «Создание научных основ формирования свойств изделий общего и специального назначения методами комбинированного термопластического деформирования материалов»).
Цель работы. Повышение технологичности холодной штамповки крупногабаритных полусферических тонкостенных днищ из анизотропных материалов путем обоснования режимов обработки, обеспечивающих снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления, сокращения сроков подготовки производства и повышения их эксплуатационных характеристик на основе прогрессивных технологических решений и условий их реализации.
Методы исследования. Теоретические исследования процессов глубокой вытяжки осесимметричных деталей выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического анизотропного тела; анализ напряженного и деформированного состояний заготовки в исследуемых процессах формоизменения осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия, уравнения состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Предельные возможности формоизменения исследуемого процесса деформирования оценивались по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации степени использования ресурса пластичности.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (испытательные машины Р-5 и ГМС-50) и регистрирующей аппаратуры; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.
Автор защищает математические модели первой и многоступенчатой вытяжки осесимметричных деталей из высокопрочных трансверсально-изотропных материалов; результаты теоретических и экспериментальных исследований изменения напряженного и деформированного состояния, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения, механических свойств и степени использования ресурса пластичности заготовки на первой и последующих многоступенчатых вытяжках осесимметричных деталей, результаты экспериментальных исследований по влиянию длительности отжига на изменение текстуры и толщины газонасыщенного слоя в листах сплава
ПТ-ЗВкт, рекомендации и пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров глубокой вытяжки осесимметричных деталей, а также технологические процессы изготовления полуфабрикатов полусферических днищ из титанового сплава ПТ-ЗВкт и алюминиевого сплава А5М, обеспечивающий эксплуатационные требования и снижение трудоемкости их изготовления.
Научная новизна.
Выявлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения, механических свойств и степени использования ресурса пластичности заготовки в зависимости от технологических параметров и геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, давления прижима на основе разработанных математических моделей первой и многоступенчатой вытяжек осесимметричных деталей из высокопрочных трансверсально-изотропных материалов применительно к изготовлению полусферических деталей.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, а также практическим использованием результатов работы в промышленности.
Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процессов глубокой вытяжки без утонения стенки крупногабаритных осесимметричных деталей из анизотропных высокопрочных материалов. Экспериментально установлены рациональные режимы отжига, благоприятно влияющие на изменение текстуры и толщины газонасыщенного слоя в листах сплава ПТ-ЗВкт.
Реализация работы. Разработаны технологические процессы изготовления полуфабрикатов полусферических днищ из тонколистового титанового ПТ-ЗВкт и алюминиевого А5М сплавов, удовлетворяющих техническим условиям эксплуатации (необходимые уровень прочности, коррозионной стойкости и герметичности в заданных условиях), которые внедрены в производстве на ЗАО «ЗЭМ РКК им. СП. Королева».
Новые технологические процессы обеспечивают: увеличение удельной прочности (раз) - 1,5 ... 1,7; уменьшение массы (раз) - 1,5; снижение трудоемкости (раз) - 2...3; увеличение коэффициента использования материала, (с/до) - 0,3/0,9.
Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Новые технологические процессы и оборудование» и «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на XIII Всероссийской научно-технической конференции по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (г. Каунас, 1989 г.); на XI Уральской школе металловедов-термистов «Проблемы металловедения и термической обработки сталей и сплавов» (г. Свердловск-Пермь, 1989 г.); на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.); на меж- дународнои научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением» (г. СПб.: БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова, 2005 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2004 - 2006 г.г.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 12 печатных работах объемом 3,5 печ. л.; из них авторских - 2,9 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору СП. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 151 наименования, 3 приложения и включает 101 страница машинописного текста, содержит 73 рисунков и 8 таблиц. Общий объем - 164 страниц.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы, приведены положения, выносимые на защиту, и краткое содержание разделов диссертации.
В первом разделе изложено современное состояние теории и технологии изготовления цилиндрических заготовок и изделий методами глубокой вытяжки, рассмотрены существующие методы анализа процессов обработки металлов давлением, показано влияние начальной анизотропии механических свойств исходного материала на технологические параметры процессов глубокой вытяжки осесимметричных и цилиндрических деталей. Обоснована постановка задач исследований.
Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения необходимые для теоретического анализа напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения на первой и последующих операциях вытяжки ступенчатых осе- симметричных деталей из трансверсально-изотропных материалов.
Материал принимается несжимаемым, ортотропным, для которого справедливо условие текучести Мизеса-Хилла и ассоциированного закон пластического течения. При назначении величин степеней деформации в процессах пластического формоизменения в дальнейшем учитывались рекомендации по степени использования запаса пластичности В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова, согласно которым для ответственных деталей, работающих и подвергающихся после обработки давлением термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной степени использования запаса пластичности следует считать х=0,25, а только для неответственных деталей допустимая степень использования запаса пластичности может быть принята 1=0,65.
Третий раздел посвящен теоретическим исследованиям силовых и деформационных параметров первой и многооперационной вытяжки ступенчатых осесимметричных деталей без утонения стенки в радиальной матрице начально трансверсально-изотропного упрочняющегося материала. Приведены математические модели первой и многоступенчатой вытяжки осесимметричных деталей из высокопрочных трансверсально-изотропных материалов, применительно к изготовлению полусферических деталей, а также основные уравнения и соотношения для анализа напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения рассматриваемых процессов. Установлено влияние технологических параметров и геометрии рабочего инструмента глубокой вытяжки на силовые режимы, предельные возможности пластического формоизменения и формирование показателей качества механических свойств материала цилиндрических деталей (степени использования ресурса пластичности и однородности механических свойств).
Здесь же приведены экспериментальные исследования многооперационной вытяжки ступенчатых осесимметричных деталей из анизотропных ма- териалов. Показано, что способность листовых материалов к глубокой вытяжке может быть оценена по средним значениям косинуса угла ф между гексагональной осью и направлением нормали к плоскости листа. Полученное выражение /?(ф) позволяет учесть влияние текстуры на величину коэффициента нормальной пластической анизотропии, при этом введенные текстурные параметры Аг- (/ = 1...5) достаточно полно описывают пространственное распределение зерен в поликристалле. Для определения среднего значения коэффициента нормальной пластической анизотропии по данным о текстуре достаточную информацию можно получить из одной ОПФ, снятой с направления нормали к плоскости листа.
Экспериментально исследовано, влияние длительности отжига при температуре 650С в листах сплава ПТ-ЗВкт на изменения текстуры, способствующей созданию благоприятных для штампуемости ориентировок. Исследовалось также влияние многократных отжигов донной части на качество изделий.
Изучены вопросы об уменьшении вероятности образования микротрещин, выводящих деталь за предел допуска по толщине, а также установлены особенности технологических процессов ступенчатого набора титановых листов с целью уменьшения вероятности образования микротрещин.
В четвертом разделе на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики по расчету и проектированию технологических процессов изготовления ступенчатых осесимметрич-ных деталей из высокопрочных анизотропного материала методами глубокой вытяжки.
Внедрен и апробирован в производстве метод штамповки тонкостенных (1...4 мм) сферических днищ из титанового сплава ВТ-ЗВкт, а также детали «Диафрагма» из алюминиевого сплава А5М с применением ступенчатого набора металла, осуществляемый на универсальных гидравлических прессах.
Технологические процессы внедрены на закрытом акционерном обществе «Завод экспериментального машиностроения ракетно-космической корпорации «Энергия» имени СП. Королева». Новые технологические процессы обеспечивают: увеличение удельной прочности (раз) - 1,5 ... 1,7; уменьшение массы (раз) - 1,5; снижение трудоемкости (раз) - 2...3; увеличение коэффициента использования материала, (с/до) - 0,3/0,9.
Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в лекционном курсе «Механика процессов пластического формоизменения» для студентов, обучающихся по направлению «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности «Машины и технология обработки металлов давлением».
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Анизотропия материала заготовок и ее влияние на процессы штамповки
Листовой металл, используемый в процессах обработки металлов давлением, обладает начальной анизотропией механических свойств. Анизотропия проката является следствием образования текстуры предпочтительной ориентировки кристаллографических осей в зернах обрабатываемого материала, характера распределения и ориентировки фаз дефектов металла и остаточных напряжений, возникающих вследствие неоднородности пластической деформации при прокатке [6-8, 10, 31, 32, 61]. При деформации зерна и включения приобретают вытянутую форму, которая после отжига переходит в строчечную структуру, в результате чего свойства, в том числе и механические, вдоль и поперек направления прокатки могут резко различаться.
Кристаллографическая текстура во многих случаях является определяющим фактором в создании анизотропии физических свойств металлических материалов. Следовательно, управляя текстурой, можно целенаправленно регулировать анизотропию их свойств, обеспечить оптимальные значения данной физической характеристики в нужном для определенного изделия направления и т.п. Кроме того, учитывая связь коэффициента пластической анизотропии R с упругими характеристиками материала и текстурой, можно создавать оптимальную текстуру, способствующую повышению штампуемо-сти листов из данного материала. Для реализации на практике всех возможностей, связанных с кристаллографической текстуры, надо располагать информацией о закономерностях формирования текстуры в процессе различных обработок материала (пластическая деформация, рекристаллизационный отжиг и др.), а также об основных технологических факторах, влияющих на текстуру.
Анизотропия листа зависит от режимов прокатки и последующей термической обработки [32, 61, 127, 128].
Изучение кинетики развития текстуры при холодной прокатке показало, что анизотропия в общем случае возрастает с увеличением деформации до определенного предела, после которого изменяется уже мало [127, 128]. Анизотропию механических свойств прокатанного листа можно уменьшить разбросом текстуры относительно направления прокатки.
Анизотропия механических свойств металлов проявляется в различии пределов текучести О0 2 временного сопротивления разрыву ов, относительного удлинения 5 и других параметров в разных направлениях плоскости листа. Для характеристики анизотропии используют различные показатели, например показатель анизотропии относительного удлинения и показатель анизотропии временного сопротивления разрыву. Однако указанные показатели характеризуют анизотропию механических свойств только вдоль и поперек прокатки, что недостаточно для объективной оценки анизотропии материала, так как целый ряд материалов имеет одинаковые значения пределов текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения вдоль и попрек прокатки, но различные в других направлениях.
Для оценки анизотропии механических свойств листового материала наиболее часто применяются коэффициенты анизотропии R , которые представляют собой отношение логарифмических деформаций по ширине є и толщине є z образцов, вырезанных под углами ф по отношению к направлению прокатки, при испытании на растяжение.
Для изотропного материала это отношение равно единице. Различают трансверсально изотропное тело, когда коэффициент анизотропии практически одинаков в различных направлениях по отношению к направлению прокатки листа, но отличен от единицы, и плоскостную анизотропию, когда коэффициент анизотропии различен в различных направлениях относительно направления прокатки в плоскости листа.
Влияние анизотропии механических свойств на штампуемость листовых материалов и качество получаемых изделий часто связывается с величиной среднего коэффициента анизотропии R, определяемого как среднее арифметическое коэффициентов анизотропии в разных направлениях в плоскости листа.
Целый ряд работ [9, 10, 11, 32, 40, 47, 62, 118, 128, 129] посвящен отработке методик и экспериментальному определению коэффициентов анизотропии. Обычно величину коэффициента анизотропии R определяют по данным измерения ширины и толщины образца в зоне расчетной длины при деформации растяжения образца на 15...20 % в области равномерной деформации. Часто величину R находят при максимальной равномерной деформации образцов. Ширину образцов рекомендуется брать не менее 15 мм, в противном случае обнаруживается тенденция увеличения разброса величины R. Некоторые исследователи вместо замеров толщины определяли деформацию по длине и ширине образца, а затем, используя условие постоянства объема, вычисляли деформацию по толщине. Этот способ позволяет исключить относительно большие погрешности измерений толщины. Отмечается, что определение R усложняется неоднородностью материала, которая приводит к искажению боковой поверхности образца даже в области квазиравномерной деформации. Установлено, что величина коэффициента нормальной анизотропии для большинства листовых материалов изменяется в пределах от 0,2 до 3,5.
Авторами работ [127, 128] экспериментально показано, что анизотропия упрочнения имеет место при одноосном растяжении образцов, т.е. коэффициент анизотропии Ry зависит от степени деформации образцов, при которой он определяется. Описанные методы определения коэффициентов анизотропии отличаются большой трудоемкостью как при подготовке к испытанию, так и при обработке результатов испытаний. В целях устранения указанных недостатков разрабатываются методики определения анизотропии механических свойств на испытательных машинах с использованием специальных механических устройств в тензоблоках [9, 128].
Влияние анизотропии механических свойств на силовые режимы
Рассмотрим первую операцию вытяжки (без утонения стенки) анизотропного упрочняющегося материала с прижимом через радиальную матрицу ф с радиусом закругления R и степенью деформации \/ = 1 - т \, где т \ коэффициент вытяжки; т \ =d\/DQ; d\ - диаметр изделия по срединной по верхности заготовки; DQ - диаметр исходной листовой заготовки.
Материал принимается несжимаемым, начально трансверсально-изотропным, изотропно-упрочняющимся, для которого справедливо условие текучести Мизеса-Хилла (2.1) и ассоциированный закон течения (2.2).
Предполагаем, что процесс вытяжки протекает в условиях плоского напряженного состояния. Упрочнение материала в процессе пластического формообразования принимаем изотропным. Допускаем, что на контактных границах заготовки и рабочего инструмента реализуется закон трения Кулона. »
В основу анализа положен метод расчета силовых параметров процесса, основанный на совместном решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия и условий текучести с учетом сопряжений на границах участков, а также изменения направления течения материала.
Очаг пластической деформации разбивается на характерные участки. На рис. 3.1 и 3.2 приведены схемы к теоретическому анализу первой операции вытяжки без утонения стенки на радиальной матрице, соответст вующие начальной стадии деформирования и моменту совпадения центра за кругления пуансона с верхней кромкой пояска матрицы (Z SQ). Здесь z величина одностороннего зазора между пуансоном и матрицей. Рисунок 3.1. Схема к теоретическому Рисунок 3.2. Схема к теоретическо анализу первой стадии процесса вы- МУ анализу первой операции вы тяжки через радиальную матрицу тяжки на радиальной матрице Рассмотрим распределение напряжений и деформаций в заготовке на первой стадии процесса вытяжки без утонения стенки при наличии трех характерных участков (рис. 3.1).
Очаг деформации состоит из трех участков: участок 1а расположен на плоскости матрицы и ограничен краем заготовки с текущей координатой R с одной стороны и постоянной координатой Яц, точкой сопряжения плоского и криволинейного участков матрицы; участок 16 охватывает входную кромку матрицы и ограничен угловыми координатами ф = 0 и текущим значением угла охвата заготовкой тороидальной поверхности матрицы ф2І участок 1в (участок бесконтактной деформации) расположен между входной кромкой конуса матрицы и кромкой пуансона. Меридиональные ар и окружные GQ напряжения на участке 1а определяются путем численного решения (методом конечных разностей) приближенного уравнения равновесия p- + Gp-G0=O (3.1) совместно с условием пластичности (G + H)GJ - 2Яарсте + (Я + F) l = 1 (3.2) при граничном условии p = Rk, ар =- -, (3.3) где р - текущий радиус рассматриваемой точки, ify. р R4 ; Яд. - радиус края заготовки в рассматриваемый момент времени; цд/ - коэффициент трения на контактной поверхности матрицы и прижима; Q - сила прижима [96]; q - давление прижима; Q = n(R%-R )q. .(3.4)
Величина давления прижима q зависит от величины относительной толщины листовой заготовки Sp = SQ/DQ При анализе процесса вытяжки без прижима в граничном условии (3.3) необходимо положить Q= О. Рассмотрим кинематическое и деформированное состояние материала на этом участке. Скорости деформации в меридиональном, тангенциальном направлениях и по толщине определяются по выражениям S dvp. е„_кр к ф р S где Vp - меридиональная скорость течения. Используя уравнение несжимаемости р + Q + \z = О и уравнения связи скоростей деформаций и напряжений, найдем dVn -=»Чі+/); f—Zg . (3.5) Ф P сте(1 + Л)-Яар Уравнение для определения изменения толщины заготовки запишется как ds do „ (3.6) s р Принимая во внимание выражение (6), получим уравнение равновесие (3.1) в виде: dc0 ст0(і + /)-ае —-+ pV J - = 0. (3.7) ф p Интегрирование этого уравнения выполняем численно методом конечных разностей от краевой части заготовки, где известны все входящие в уравнение величины, V =CV-1 -Pn Pn-l[pn-l(l + f)+aen-l\ (3.8) РЙ-1 После определения ар находим CQ ИЗ условия пластичности (3.2) с учетом (3.3). Для нахождения напряжений ар и CTQ на тороидальной поверхности матрицы (участок I б) решаем совместно условие равновесия dap ( coscp cosq + HA/sin P Л rtm и условие пластичности (3.2) при граничных условиях приф = 0 ор = %, Р = ЛІ ,w p P = v 4ДМС (3.10) где ф - угол, характеризующий положение рассматриваемого сечения заготовки на тороидальной поверхности матрицы; цд/ - коэффициент трения на контактной поверхности матрицы; a = Rli/R c: МС = &М +Q $so стр " величина меридионального напряжения во фланце заготовки (участок 1а), вычисленная при р = Яц; asp - сопротивление материала пластическому деформированию с учетом его упрочнения при р = Яц. Распределение меридиональных сгр и окружных GQ напряжений на конусообразном участке бесконтактной деформации определяется путем численного интегрирования уравнения равновесия (3.1) с условием пластичности (3.2) при граничном условии p = Rb Gp = сург ф=ф2 + Gsp ——. (ЗЛІ) 4ЛМС Здесь ф2 - угол, определяющий границу тороидального и конусообразного участков; ф = ф2; стр - меридиональное напряжение на тороидальной поверхности матрицы, вычисленное приф = фз; С75р ф_ф - сопротивление материала пластическому деформированию при Ф = Ф2
Экспериментальные исследования связи характеристик анизотропии с кристаллографической текстурой
коэффициентом нормальной пластической анизотропии і?ф, определяемым отношением приращений пластических деформаций по ширине и по толщине образца при испытаниях на растяжение [148]. При этом удовлетворительная штампуемость достигается при R = Rcp 1, где Rcp получают усреднением значении коэффициента нормальной пластической анизотропии, полученных при испытаниях в различных направлениях (обычно под углами О, 45 и 90 к направлению прокатки).
Как показывает анализ экспериментальных данных для сплавов титана (табл. 3.4), величина Rcp в значительной мере определяется характеристиками кристаллографической текстуры. Создание в листах титановых сплавов текстуры с малыми углами наклона базисных плоскостей к поверхности листа приводит к Rcp 1, тогда как появление ориентировок с большими значениями этих углов снижает коэффициент нормальной пластической анизотропии до величин, меньших единицы (см. табл. 3.4). Увеличение Rcp путем создания в материале «идеальной» базисной или близкой к ней текстуры отмечается и в работах [4, 5, 136].
Известные корреляционные соотношения между Rcp и текстурой, как правило, учитывают интенсивность основных ориентировок текстуры [6, 7]. В то же время экспериментально установлено, что изменение интенсивности и рассеяние основных, а также появление дополнительных побочных ориентировок влияют на величину коэффициента нормальной пластической анизотропии [53, 136]. Целью данной работы является установление такой связи
Rcp с текстурой, которая учитывала бы не только интенсивность, но и рассеяние отдельных ориентировок.
Достаточно простая информация об этой связи может быть получена из следующих соображений. Как известно, степень анизотропии свойств ГПУ-металлов определяется пространственным распределением гексагональной оси [9]. Для любой случайной ориентации оси «с» в поликристалле выполня О О О ется соотношение cos a + cos р +cos у = 1, где а, р и у - углы между осью «с» и направлением прокатки (НП), поперечным направлением (ПН) и направлением нормали к плоскости листа (НН) соответственно (рис. 3.56).
Очевидно, что в случае равновероятного распределения оси «с» в простран стве (бестекстурное состояние, для которого R = 1) cos2 а = cos Р = cos у = 1/3. Угловыми скобками отмечены средние значения указанных величин. Наличие текстуры нарушает это равенство. Учитывая монотонный характер изменения коэффициента нормальной пластической анизотропии в зависимости от угла наклона базисных плоскостей к поверхности листа и экспериментально наблюдаемое увеличение Rcp при уменьшении угла у, можно сделать вывод, что случаю Rcp 1 должно соответствовать cos у »1/3. Рисунок 3.56. Ориентации оси «с» в поликристалле Для ГПУ-металлов ОПФ позволяет получить информацию о полюсной
Таким образом, качественная оценка пригодности материала к обработке, связанной с глубокой вытяжкой, может проводиться по средним значениям косинуса угла между гексагональной осью и НН. Наиболее удобным методом представления текстуры в данном случае является обратная полюсная фигура (ОПФ). плотности 17 ориентировок, что представляется достаточным для аппроксимации непрерывного пространственного распределения оси «с».
Для определения величины cos у сначала вычисляются объемные доли ориентировок, представленных на ОПФ, снятой с направления нормали к плоскости листа fhkl = Ahkf Phkh где pfrki - полюсная плотность ориентировки {hkl}; A i - нормировочный коэффициент [21]. Искомая величина находится по формуле. cos2 у = /ш cos2 у ш. Как уже говорилось, увеличению этого параметра должно соответствовать повышение коэффициента нормальной пластической анизотропии, что хорошо согласуется с. приведенными в табл. 3.4 экспериментальными данными.
Технологические процессы изготовления полусферических тонкостенных деталей
В космической технике для хранения топлива широко используются баки сферической формы, изготавливаемые из двух отштампованных полусфер сваркой встык.
Основными критериями при выборе материала для бака являются запас прочности, долговечность и малая масса. Установлено, что по сравнению с алюминиевыми баками, баки, изготавливаемые из титановых сплавов, при прочих равных качественных показателях будут иметь более низкую массу и, следовательно, более выгодны.
Новый титановый сплав ПТ-ЗВкт содержит в своем составе следующие легирующие элементы в % массы: Поскольку отштампованные полусферические днища в дальнейшем проходят операцию химического фрезерования, для облегчения конструкции и из-за особых условий работы изделий высокие требования предъявляются к результирующему утонению отштампованных днищ. Оно не должно быть меньше 0,9 толщины исходного материала SQ .
Кроме того, титановые сплавы имеют существенно меньшую теплопроводность по сравнению с алюминиевыми сплавами, что не маловажно для криогенных баков, они не требуют проведения специальных мероприятий по защите от коррозии и более пригодны для многоразового использования.
Для хранения больших запасов горючего при давлении, не превышающем 6 МПа, используют сферические баки в интервале диаметров 10 MM DC 2000 мм с рассчитанным из условий прочности соотношением so/Dc4 0,003.
Известен способ штамповки днищ с предварительным ступенчатым набором и последующей калибровкой на мощных гидравлических прессах или установках для беспрессовой штамповки с использованием импульсных энергоносителей [96].
Недостатком этого способа является тот факт, что фланец, получаемый на первом переходе предварительной вытяжки, остается без изменений до окончательной калибровки и является также фланцем требуемого полусферического полуфабриката, а весь предварительный набор осуществляют за счет перераспределения металла без участия в нем фланца. При этом диаметр первого перехода D\ меньше диаметра полусферы [71], ибо в противном случае ступенчатая заготовка, не вписалась бы в калибровочную матрицу, повторяющую контур заготовки и, следовательно, коэффициент вытяжки первого перехода, в отличие от коэффициентов вытяжки последующих переходов в среднем равных 0,8 составляет что делает невозможным использования метода при штамповке полусфер из титановых сплавов. Способ не дает так же такую форму ступенчатого набора, которая обеспечила бы снижение широтных деформаций растяжения и исключила бы гофрообразования при калибровке, т.к. не содержит указаний на какую высоту производить вытяжку в каждом переходе предварительного ступенчатого набора. Из опыта известно [71], что гофры, возникающие при штамповке титановых сплавов не устраняются ни последующей калибровкой взрывом, ни калибровкой в горячую, а увеличение деформаций растяжения, не достигающих критической величины при калибровке более пластичных металлов приводит к разрывам при штамповке.
Указанным методом из металлов, имеющих уменьшенную или низкую штампуемость, каким и являются титановые сплавы, качественную полусферу с соотношением SQJD 0,003 В холодную получить невозможно.
Задачей является повышение качества крупногабаритных (1000 мм )сф 2000 мм ) полусферических днищ титановых баков с соотношением толщины стенки (so) к диаметру днища ( с ,) меньше 0,003.
Поставленная задача решается путем многопереходной ступенчатой вытяжки цилиндрических стаканов с промежуточным отжигами и последующей калибровкой импульсным нагружением с образованием изделия требуемой формы, причем на первом переходе вытяжки получают цилиндрический стакан без фланца с диаметром d\ равным от 1,15 DC(p до 1,25 DC(p. На
втором переходе формируют фланец, а вытяжку цилиндрической части стакана производят до момента появления отклонения цилиндрической стенки, полученной на первом .переходе, от исходного положения. На третьем переходе вытягивают полуфабрикат с высотой, равной от 0,9 до 0,95 z (z - расстояние между плоскостью фланца, обращенной к цилиндрической части, и плоскостью, параллельной фланцу, и проведенной через линию пересечения проекции контура готового днища и цилиндрической стенки полуфабриката второго перехода), а на каждом следующем переходе вытяжку производят до полного переформовывания цилиндрической стенки, полученной на предыдущем переходе, в цилиндрическую стенку с меньшим диаметром.
Последовательность операций поясняется рис. 4.1 - 4.8.
На рис. 4.2 и 4.3 изображена исходная листовая заготовка и детали после первой операции вытяжки; на рис. 4.4 - 4.8 показаны вытяжные переходы соответственно с 7 по VI; на рис. 4.9 изображен полуфабрикат после калибровки обтяжкой; на рис. 4.10 представлена схема /7-го перехода вытяжки, где номерами позиций 1, 2 и 3 обозначены соответственно матрица, прижим и пуансон; на рис. 4.11 - схема F-го перехода вытяжки.
