автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии производства панелей с оребрением из алюминиевых сплавов

РГБ ОД

На правах рукописи

ПАРШИКОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПАНЕЛЕЙ С ОРЕБРЕНИЕМ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Технология металлических материалов» «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Галкин В.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Бецофен С.Я.

кандидат технических наук Ширяев В.А.

Ведущее предприятие указано в решении специализированного

Совета.

Защита диссертации состоится « 29 » июня 2000 года в JA часов на заседании специализированного Совета К063.56.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в области обработки металлов давлением в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3.

Отзыв (заверенный печатью) просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан « 24 » мая 2000 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук B.C. Соколов

0S3- оде. о

На правах рукописи

ПАРШИКОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПАНЕЛЕЙ С ОРЕБРЕНИЕМ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы я цель работы. Оболочки и панели, усиленные оребрением, являются одними из основных элементов конструкций летательных аппаратов. В связи с этим к ним предъявляются особые требования по жесткости и весовым характеристикам. Для достижения требуемых результатов особое внимание следует уделять технологии производства оребренных изделий.

К предлагаемым технологическим решениям предъявляются строгие требования на соответствие заданным механическим и геометрическим параметрам получаемого изделия.

С учетом предъявляемых требований для производства панелей с оребрением используют материалы с малым удельным весом, к которым относятся титановые и алюминиевые сплавы, среди которых выделяются сплавы на основе системы А1 - 1л.

Панели с оребрением из алюминиевых сплавов могут быть произведены различными способами. К ним относятся: механическая обработка, химическое и электрохимическое фрезерование, литье, сварка, прокатка, прессование, штамповка. Данные методы производства имеют ряд существенных недостатков, таких как: сложность наладки оборудования, большие потери материала в ходе процесса производства, ограниченные габаритные размеры получаемого изделия. Исключением является изотермическая, которая позволяет получать панели сложной формы с оребрением, распределенным по заданной схеме. Однако, при изотермической штамповке в ходе пластического формоизменения могут образовываться дефекты, механизм возникновения которых еще недостаточно изучен. В связи с этим актуальным является изучение особенностей пластического течения материала заготовки в ходе формирования ребра и определение научно обоснованных технологических параметров, обеспечивающих получение бездефектного изделия.

Целью работы является исследование характера течения материала и механизмов образования дефектов в ходе штамповки панелей с оребрением и определения условий получения бездефектных изделий.

Научная новизна. - Определена динамика течения материала при формировании ребра и установлены причины и механизмы образования дефектов в виде утяжин, пор, зажимов.

- Описаны схемы заполнения материалом заготовки ручья штампа при формировании оребрения.

- Установлено, что свойство сверхпластичности сплавов отрицательно влияет на формирование оребрения, т.е. для сплавов, обладающих этим свойством, необходимо использовать заготовки большей толщины по сравнению со сплавами, не обладающими сверхпластичностью.

- Установлено, что для получения качественного оребрения наилучшими являются изотермические условия.

- Установлены оптимальные интервалы изменения основных технологических и конструкционных параметров процесса изотермической штамповки, не приводящие к образованию дефектов при производстве панелей с оребрением.

- Предложена функциональная зависимость, позволяющая определить минимальную фактическую толщину полотна готового изделия для производства качественных панелей при заданной скорости и температуре деформирования

Практическая значимость. - Определены минимальные толщины заготовок и технологические режимы, позволяющие получить бездефектные панели с оребрением.

- Рассмотрена возможность автоматизации процесса получения панелей с оребрением методом изотермической штамповки.

- Сконструирована лабораторная установка для исследования и управления процессом изотермической штамповки образцов с оребрением.

- Разработано программное обеспечение для автоматизированного управления термокомпрессионной установкой, обеспечивающее требуемый рабочий ход термокомпрессионной установки и скоростные режимы деформации процесса штамповки.

Законченность работы характеризуется выполненным комплексом теоретических и экспериментальных исследований и практической реализацией полученных результатов.

Достоверность результатов исследований подтверждается обоснованностью принятых допущений при теоретическом анализе, применением апробированных методов проведения и обработки данных, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.

Апробаиия работы. Основные положения и результаты диссерта-

ционной работы заслушаны на Всероссийской конференции «Новые материалы и технологии» в МАТИ в 1999 г.; трех Всероссийских молодежных конференциях «Гагаринские чтения» в МАТИ в 1997,1999,2000 гг.

Публикации. Представленные в диссертационной работе материалы опубликованы в 7 работах.

Объем работы. Диссертация состоит из 4 глав, содержит 127 страниц, 50 рисунков, 15 таблиц, список литературы содержит 70 наименований.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование направлено на исследование и разработку технологии производства панелей с оребрением из алюминиевых сплавов и определение механизмов образования дефектов в ходе процесса деформации.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

К числу перспективных изделий в области разработки ракетно-космической техники относятся оребренные панели и оболочки, используемые как готовые элементы конструкции приборных отсеков, топливных баков и т.д. Эти элементы относятся к классу деталей, к которым предъявляются повышенные требования по прочностным и геометрическим параметрам. Кроме того, оребренные оболочки имеют сложную форму и в то же время должны изготавливаться серийно. Основная сложность в этом случае заключается в том, что технология их изготовления, с одной стороны, должна обеспечивать высокую точность конечных размеров и максимальную прочность элементов конструкции, а с другой, быть экономически выгодной.

Перспективным способом получения панелей с оребрением является изотермическая штамповка. Особенностью данного процесса является то, что штамповка ведется с малыми скоростями при постоянной оптимальной температуре, что обеспечивает высокие пластические свойства обрабатываемых материалов, однородность температурного поля, равномерность деформаций, снижение контактного трения, усилий штамповки и нагрузок на инструмент.

При изотермической штамповке панелей с оребрением возможно возникновение дефектов (утяжины, поры, зажимы), вероятными причинами образования которых могут быть неоптимальные технологические параметры процесса штамповки, Для получения качественного изделия необходимо знать механизмы формирования дефектов и влияющие на них технологиче-

ские факторы.

Применение изотермической штамповки дня производства панелей с оребрением требует проведения комплексных исследований, чему и посвящена настояща^работа.

На основании вышеизложенного сформулирована цель настоящих исследований, которая представлена в разделе «Общая характеристика работы». Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

^ Анализ процесса изотермической штамповки панелей с оребрением.

^ Исследование механизмов и причин образования дефектов, а также определение условий получения бездефектного изделия. Экспериментальная проверка полученных результатов. Изучение возможности автоматизации процесса изотермической штамповки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве материала исследований в работе использовался сплав 1420 на базе системы А1 - - 1л, который является одним из наиболее легких алюминий-литиевых сплавов и сплав АМгб системы А1 - Mg, наиболее высокопрочный сплавом группы магналиев.

Экспериментальные исследования проводились на термокомпрессионной установке, являющаяся разновидностью термоупругого пресса. В качестве смазки использовалась водно-графитовая эмульсия. Металлографические исследования проводились в поперечном сечении ребер на шлифах, изготовленных методом сухого шлифования. Травление проводилось в реактиве Келлер - макро и Келлер-микро. Исследования и фотосъемка микроструктуры осуществлялась на микроскопе «Неофот-32». Для измерения микротвердости использовался прибор ПМТ при нагрузке 50г.

Для математического моделирования деформационных процессов применен метод конечных элементов, который реализован в программном продукте ОРогт.

АНАЛИЗ ХАРАКТЕРА ТЕЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ РЕБРА. На первом этапе исследования с помощью математического моделирования изучен типовой технологический процесс, апробированный на

предприятии. Его технологические параметры представлены ниже: температура штамповки Т = 400°С, скорость инструмента V = 0,4 мм/с, толщина полотна готового изделия 8 = 1 мм, материалом заготовки является сплав 1420. Геометрические параметры ребра: толщина Ь = 5,6 мм, высота Ь = 7,3 мм, шаг оребрения а = 84 мм, радиусы сопряжений г ~ 0,5 мм.

Непосредственно процесс формообразования заключается в заполнении материалом полоста штампа, формирующей ребро. Условно область очага деформации можно разделить на три характерные зоны (рисунок 1): зона А представляет собой область формирования ребра и является зоной интенсивной деформации; зоны В и В' являются застойными, из них во время рабочего хода инструмента вытесняется материал для формирования оребрения.

При моделировании установлено, что в процессе штамповки наблюдается встречное течение материала из застойных зон в зону формирования ребра За счет этого элемент заготовки, находящийся над пустой полостью штампа, испытывает в горизонтальном направлении сжимающие напряжения, вследствие чего происходит потеря устойчивости этого элемента и отрыв материала от поверхности штампа, образующей полотно

Направление действия усилия

детали. Часть объема материала после потери устойчивости заготовки перемещается в пустую полость штампа В ходе этого явления наблюдается образование складки в нижней половине ручья штампа Одновременно с про-

цессом потери устойчивости происходит отрыв материала от боковой поверхности штампа, образующей ребро. Это связано, во-первых, с тем, что горизонтальная составляющая скорости течения материала в зоне деформации приобретает большее значение по сравнению с вертикальной составляющей скорости течения материала Второй причиной этого является то, что при потере устойчивости и во время формирования складки (петли) происходит изгиб полотна заготовки, и естественный радиус изгиба по своей величине превосходит радиус сопряжения поверхностей штампа.

В момент потери устойчивости заготовки в образовавшуюся складку захватывается воздух, за счет этого формирующаяся складка (петля) помимо технологической смазки, находящейся на поверхности заготовки, затягивает в тело ребра объем воздуха

При достижении воздушной полости поверхности штампа, образующую вершину ребра, она начинает подвергаться интенсивной деформации в вертикальном направлении. Вместе с материалом заготовки деформируется образовавшаяся замкнутая воздушная полость. Захваченный металлом воздушный пузырь в ходе заполнения ручья штампа дробится на небольшие пузырьки с воздухом, что подтверждается металлографическими исследованиями. В тоже время попавшая в складку при потере устойчивости технологическая смазка препятствует свариванию металла, что приводит к образованию зажима в центральной часта ребра

Математическое моделирование показало, что окончательное заполнение области штампа, в которой формируется ребро, начинается с его вершины. В рассматриваемом случае деформации на этой стадии процесса подвергается образовавшаяся ранее складка (петля). Окончательное формирование ребра происходит от его вфшины к основанию. В тоже время продолжается поступление объемов металла в активную зону очага деформации из периферийных областей заготовки. В следствие этого на боковой поверхности формирующегося ребра создаются условия для повторной потери устойчивости, т.к. материал, находящийся в зоне формирования ребра, подвергается высотному сжатию. В ходе этого явления изменяется естественный радиус изгиба полотна заготовки, что приводит к образованию дополнительного направления течения материала в полость формирования ребра панели. На этой стадии наблюдается встречное заполнение ручья штампа. Оно выражается в том, что продолжается формирование реберной части в

направлении от его вершины к основанию. В тоже время происходит заполнение свободного пространства у основания ребра.

При взаимодействии встречных течений материала часть поверхности полотна заготовки с нанесенной технологической смазкой попадает между ними. Наличие смазки при дальнейшем развитей процесса приводит к образованию зажима на боковой поверхности ребра.

Таким образом, при рассмотренных выше технологических параметрах в ходе процесса штамповки в зоне формирования ребра наблюдается двойная потеря устойчивости. Это приводит к образованию внутреннего дефекта - зажима в центральной части ребра, а так же к образованию двух внешних дефектов - зажима в основании ребра и утяжины в подреберной части панели.

Результаты математического моделирования адекватно отражают явления, происходящие при изготовлении реального изделия при аналогичных параметрах деформационного процесса. В зоне ребра готового изделия наблюдаются такие дефекты, как утяжина, зажим в центральной части ребра, зажим на боковой поверхности ребра

На качество получаемых изделий влияют три основные группы факторов (применительно к процессу получения панелей с оребрением). К первой группе относятся параметры готового изделия, такие как толщина полотна, шаг, высота и толщина ребра. Ко второй группе факторов относятся параметры заготовки, где определяющими являются ее толщина и характеристики материала. Третья группа включает в себя технологические параметры проводимого процесса: температура нагрева инструмента и заготовки, скорость инструмента, граничные условия.

В первую очередь необходимо рассмотреть влияние толщины заготовки на потерю устойчивости в ходе процесса штамповки. Для этого проводилось моделирование деформационного процесса для диапазона толщин заготовки от 1,5 до 3,5 мм с шагом 0,25 мм. При этом толщина полотна после процесса штамповки составляла от 1.00 до 3,00 мм, соответственно, с шагом 0,25 мм. Значения температуры и скорости деформирования оставались неизменными и составляли, как и в типовом технологическом процессе: температура 400 °С, скорость 0,4 мм/с.

Результаты моделирования показали, что при конечной толщине полотна от 1,00 до 2,00 мм помимо утяжины образуется зажим на боковой

поверхности ребра При толщине полотна 2,25 и 2,50 мм в ходе процесса штамповки имеет место только утяжина, а при толщине полотна 2,75 мм и более образование дефектов не наблюдается. Это связано с тем, что при толщине полотна от 1,00 мм до 2,00 мм происходит процесс двойной потери устойчивости. Первая из них происходит в начальный момент деформации, когда материал заготовки складывается в направлении пустой полости штампа Вторая потеря устойчивости происходит в момент формирования ребра. В результате этого процесса образуется складка, которая в дальнейшем трансформирующаяся в зажим. При толщине полотна 2,25 - 2,5 мм происходит потеря устойчивости только в начале процесса штамповки, а при заполнении реберной части наблюдается ровное течение материала. При толщине заготовки 2,75 мм аномалий при формировании ребра не наблюдается. Т.е. при увеличении толщины заготовки характер течения металла улучшается. При относительно тонкой заготовке в процессе деформации происходит потеря устойчивости полотна с последующим образованием дефектов.

Помимо толщины заготовки на формирование изделия большое влияние оказывает начальная температура процесса, которую можно рассматривать одним из факторов управления деформационным процессом. Характер изменения температуры в результате деформационного разогрева позволяет определить состояние заготовки в ходе процесса штамповки. Поэтому методом математического моделирования исследовано влияние на процесс деформирования начальной температуры нагрева заготовки. Начальная температура выбиралась в диапазоне от 320 до 400 °С с шагом 20 °С.

В роли критериев оценки качества готового изделия рассматривались остаточная глубина утяжины (Ь^) по оси симметрии ребра и максимальная температура материала в очаге деформации (Ттм) в ходе процесса формообразования.

Для оценки характера изменения величины утяжины, построена зависимость остаточной глубины утяжины от толщины заготовки (рисунок 2). Представлены данные для температур от 320 до 400 °С с шагом 20°С при скорости процесса 0,4 мм/с.

Графическое представление результатов наглядно показывает, что значение глубины утяжгаш увеличивается на интервале толщин заготовки от 1,50 до 2,75 мм. Минимальная величина утяжины для малых толщин объясняется тем, что при повторной потере устойчивости образующаяся складка стимулирует закрытие утяжины. Чем меньше толщина заготовки, тем

1.2

3 1 а

1,25 1,5 1,75

2 2.25 2,5 2.75 3

Толщина заготовки ¡5„, мм

3,25 3,5 3,75

Рисунок 2. Зависимость глубины утяжины от толщины заготовки при скорости 0,4 мм/с.

более интенсивно протекает процесс повторной потери устойчивости, а, следовательно, происходит более интенсивное закрытие утяжины. Для технологического процесса при толщине заготовки от 2,75 до 3,25 мм наблюдается уменьшение глубины утяжины, а при толщине заготовки более 3,25 мм утяжина отсутствует.

На рисунке 3 представлен график зависимости максимальной температуры в очаге деформации от толщины заготовки.

Из графика видно, что с увеличением толщины заготовки максимальная температура очага деформации снижается. Исключение составляют значения толщин 2,75 и 3,00 мм, для которых наблюдается увеличение Т^ для всего диапазона начальных температур. Это связано с тем, что при относительно толстой заготовке в очаге деформации наблюдается многократная потеря устойчивости внутренних слоев деформируемой заготовки. Следствием этого является увеличение интенсивности деформационных процессов, а, следовательно, и увеличение Тшах.

500 т 480 -и 460 -

О _

440 -420 -400

н

в лии 0 380 а 360

1 340 -А 320 - -300 --

—ЭвС—400

1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 Толщина заготовки Од, мм

Рисунок 3. Зависимость максимальной температуры в очаге деформации от толщины заготовки при скорости деформирования 0,4 мм/с.

Другим параметром, оказывающим существенное влияние на технологический процесс, является скорость деформирования. Для оценки влияния скорости инструмента на характер формирования ребра математическому моделированию в дополнение к уже проведенным исследованиям подвергались процессы со значением этого параметра 0,2, 0,1 и 0,04 мм/с. Расчет проводился для диапазона толщин заготовки от 1,50 до 3,50 мм с шагом 0,25 мм. Температура процесса изменялась в пределах от 400 до 320 °С с шагом 20 °С.

Результаты показали, что при скорости инструмента 0,1 мм/с присутствие утяжины в готовом изделии обнаруживается вплоть до толщины заготовки 3,25 мм (при температуре 360 и 400 °С). При скорости деформирования 0,04 мм/с качественное изделие возможно получить при толщине заготовки 2,75 мм для всего рассматриваемого температурного диапазона. Вместе с этим, при низкой скорости деформирования значения остаточной глубины утяжины ниже, что может объясняться более ровным характером течения материала при заполнении полости штампа, формирующей ребро.

При скорости деформирования 0,4 мм/с максимальные значения приходятся на толщину заготовки 2.75 мм, т.е. максимум смещен в сторону больших толщин. В области малых толщин величина относительно небольшая. Это связано с наличием в процессе деформации повторной потери устойчивости.

При скоростях деформирования 0,2 и 0,1 мм/с наблюдается разброс

значений для величины Цт, что является следствием нестабильного характера течения материала в ходе заполнения свободной полости штампа. Причина такого поведения металла заключается в протекании сразу нескольких механизмов деформации в одном технологическом цикле. Т.е., процесс формирования ребра протекает по одной из следующих схем:

а) при заполнении полости штампа материал заготовки теряет устойчивость, и ребро формируется путем образования складки;

б) толщина полотна заготовки не достаточная и материал заготовки теряет устойчивость, но в тоже время ширина штампа под ребро не позволяют образоваться полноценной складке; таким образом, происходит образование утяжины на "гладкой" поверхности изделия, а ребро формируется за счет выдавливания материала;

в) формирование ребра осуществляется исключительно выдавливанием.

В указанном интервале скоростей (скорость деформнрования 0,1 -0,2 мм/с) эти схемы реализуются случайным образом для различных значений толщины заготовки, что говорит о значительном влиянии скоростного фактора на процесс формирования оребрения.

При скорости деформирования 0,04 мм/с величина Ь^ имеет более ровный характер распределения с максимумом, смещенным в область относительно малых значений толщины заготовки. Такое распределение рассматриваемой величины говорит о более ровном, чем в предыдущих случаях, характере заполнения материалом полости штампа. Таким образом, можно утверждать, что значения скорости деформирования 0,2 - 0,1 мм/с являются недопустимыми для процесса заполнения полости штампа, формирующей ребро.

Кроме того, для скорости деформирования 0,04 мм/с изменение значений Т^ для каждого варианта начальной температуры процесса не превышает 2 °С, т.е. можно говорить об изотермическом характере деформирования (рисунок 4).

и

Й £

440 420 400 380 ЗвО 340 320 300

1

' I г т 1 ¥

1 I

1 — т

1 1 1

-320 -340 -360 -380 -400

1.25 1.5 1,75 2 2,26 2,5 2,75 Толщина заготовки мм

3.25

Рисунок 4. Зависимость максимальной температуры в очаге деформации от толщины заготовки при скорости деформирования 0,04 мм/с.

Проведенный анализ результатов показал, что при определенных соотношениях таких параметров, как толщина заготовки, температура процесса и скорость деформирования возможно получение качественного изделия. Чтобы определить требуемую толщину полотна готового изделия, необходимо рассмотреть зависимость

Б'0=80*/(Т,П

где Б 'о и во - директивная (требуемая) и фактическая толщина

полотна;

ДТ,У) - функция качества получаемого изделия где Т - температура процесса;

V - скорость деформирования.

3.5

3

Для рассматриваемого случая, когда директивная толщина полотна составляет 1 мм, и в заданном диапазоне температур и скоростей значения функции Я[Т,V) приведены в таблице 1.

Аналогичные исследования проведены для сплава АМгб при тех же параметрах ребра Полученные результаты позволили определить значения функции ДТУУ), которые приведены в таблице 2.

Таблица 1.

Значения функции Г(Т,У) при 80=1 мм.

Температура, град Скорость, мм/с 400°С 380°С 360°С 340"С 320°С

0,4 мм/с 3,25 3,25 3,25 3,25 3,50

0,2 мм/с 3,25 3,25 3,25 3,25 3,25

0,1 мм/с 3,00 3,25 3,50 3,25 3,50

0,04 мм/с 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00

Таблица 2.

Значения функции f(T,V) при S0=l мм для сплава АМгб.

Температура, град. Скорость, мм/с 400°С 380°С 360°С 340°С 320°С

0,4 мм/с 2,75 2,75 2,75 2,75 3,00

ОД мм/с 2,75 3,00 2,75 2,75 2,75

0,1 мм/с 2,75 2,50 2,50 2,75 2,75

0,04 мм/с 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50

Как видно из таблицы 2, величина функции f(T,V) для сплава АМгб несколько меньше, чем для сплава 1420. Это связано с тем, что сплав 1420 обладает свойством сверхпластичности, что ведет к увеличению пластических и снижению прочностных характеристик материала, и, как следствие, снижается жесткость полотна заготовки.

При моделировании процесса штамповки для АМгб наблюдался большой разброс значений по величине hJT, что говорит о нестабильном характере течения материала в ходе заполнения ручья штампа Таким образом, предпочтительнее использовать сплав 1420, который показал более ровные результаты. Металлографические исследования полностью подтвердили результаты, полученные в ходе математического моделирования.

Проведенные исследования показали, что формирование ребра может осуществляется по разным механизмам процесса формоизменения, которые определяют несколько схем заполнения ручья штампа Каждая схема реализуется при определенных геометрических и технологических параметрах, точное соблюдение которых в процессе штамповки позволило бы избежать образования дефектов. Наиболее целесообразно вести процесс штамповки в изотермических условиях, что возможно при скоростях деформирования, равных « 0,04 мм/с.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ ШТАМПОВКЕ НА ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЙ УСТАНОВКЕ.

Влияние температурно-скоростных параметров деформирования на характер течения материала при формировании оребрения требует точного задания и контроля этих параметров. Особенно важно проследить заданное значение температуры деформирования при проведении экспериментальных исследований.

Штамповка опытных образцов осуществлялась для относительно тонкого и относительно толстого полотна заготовки. В главе рассмотрены вопросы автоматизации управления процессом изотермической штамповки на экспериментальной термокомпрессионной установке. Система автоматизации управления процессом состоит из следующих элементов:

термокомпрессионная установка (ТКУ) с установленными термическими электронагревателями (ТЭН) и термопарами; трансформатор;

блок автоматизированного управления термокомпрессионной установкой (БАУТУ);

плата ЦАП - АЦП, вмонтированная в корпус ЭВМ. Экспериментальная штамповка осуществлялась из круглой в плане заготовки диаметром 15 мм. Штамп выполнен в виде цилиндрической матрицы, которая содержит гравюру для формирования ребра, и плоского пуансона. Для проведения экспериментальных исследований изготовлена дополнительная оснастка, предназначенная для размещения штампа в термокомпрессионной установке. Она состоит из опорного кольца, штампового блока, заглушки штампового блока и регулировочного клина Благодаря применению клина требуемый рабочий ход термокомпрессионной установки остается постоянной величиной и не зависит от толщины используемой заготовки. Конструкция дополнительной оснастки предусматривает крепление термопар для контроля температуры в ходе процесса штамповки.

Часть экспериментальной штамповки проводилась при таких температурно-скоростных условиях, при которых в образце после окончания процесса штамповки наблюдались дефекты. Другая часть экспериментальных исследований проводилась по режимам получения бездефектного изделия.

Непосредственно штамповка осуществлялась следующим образом. Заготовка помещалась в матрицу, которая в свою очередь устанавливалась в разработанный штамповый блок. Собранное устройство нагревалось в электропечи до температуры деформации и помещалось в термокомпрессионную установку. В дальнейшем температура в рабочей зоне постоянно контролировалась. Скорость нагрева термокомпрессионной установки регулировалась программно с персонального компьютера.

После окончания процесса штамповки были проведены металлографические исследования. Шлифы, полученные из образцов для режимов штамповки, обеспечивающих образование дефектов, показали наличие в теле ребра утяжины, пор и окисных пленов, а на боковой поверхности ребра наблюдается зажим. Для режимов получения качественного изделия дефектов в образцах не наблюдалось.

Следовательно, можно утверждать, что результаты математического моделирования являются правомерными, полученные результаты отражают реальное поведение материала в ходе процесса штамповки. Автоматизированное управление процессом изотермической штамповки позволяет соблюдать температурно-скоростные условия, необходимые для получения качественного изделия. Таким образом, в результате проведенных комплексных исследований подтверждены режимы формирования бездефектного изделия, установленные методом математического моделирования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Определены основные схемы формирования ребра в ходе процесса штамповки при заданной скорости деформирования (сплав 1420):

а) в процессе штамповки материал заготовки теряет устойчивость, ребро формируется путем образования складки;

б) толщина полотна заготовки недостаточная, и материал теряет устойчивость, в тоже время ширина полости ручья штампа под ребро не позволяет образоваться полноценной складке; таким образом, происходит образование утяжины на "гладкой" поверхности изделия, а ребро формируется за счет выдавливания материала

в) формирование ребра осуществляется исключительно выдавливанием;

Для сплава 1420 при скорости деформирования 0,4 мм/с выявленные схемы заполнения ручья штампа распределяются следующим образом:

схема (а) реализуется при толщинах заготовки от 1,50 до 2,50 мм (Ь/8П=3,73 - 3,24); схема (б) реализуется при толщинах заготовки от 2,75 до 3,00 мм (Ь/5„=2,04 - 1,87); схема (в) реализуется при толщинах заготовки 3,25 и более мм (Ь/8П=1,72 и менее). При скоростях деформирования 0,1 - 0,2 мм/с схемы заполнения ручья штампа реализуются случайным образом, что говорит о нестабильном характере течения материала заготовки в этом диапазоне скоростей деформирования. При скорости деформирования 0,04 мм/с заполнение ручья штампа происходит следующим образом: схема (а) реализуется при толщинах заготовки от 1,50 до 2,50 мм (Ь/8П=3,73 - 3,20); схема (б) реализуется при толщинах заготовки от 2,75 до 3,00 мм (Ь/8„=2,80 - 2,04); схема (в) реализуется при толщинах заготовки 3,25 и более мм (Ь/8„=1,87 и менее).

2. Выявлены основные причины и определены механизмы образования дефектов при штамповке панелей с оребрением:

- в начальный период деформации начинает формироваться утяжина, причиной образования которой является потеря устойчивости материалом заготовки в зоне, расположенной над полостью ручья штампа, формирующей ребро;

- в ходе формирования утяжины материал складывается, образуя замкнутую воздушную полость, что приводит к порам и окисным пленам в готовом изделии;

- при заполнении полости ручья штампа, формирующей ребро, происходит повторная потеря устойчивости (в некоторых случаях - многократная) материала заготовки, которая приводит к зажиму на боковой поверхности ребра в готовом изделии.

3. Установлены количественные значения деформационного разогрева материала заготовки в ходе процесса штамповки, которые определяются величиной относительной деформации и скоростью деформирования. Снижение скорости инструмента ведет к уменьшению температурного разогрева материала заготовки в очаге деформации. Эта величина составляет при различных значениях относительной деформации для скоростей деформирования в случае штамповки заготовки из сплава 1420:

- 0,4 мм/с-от 30 до 120 °С;

- 0,2 мм/с -от 10 до 70 °С;

- ОД мм/с - от 1 до 30 °С;

- 0,04 мм/с - от 0 до 2 °С.

Увеличение относительной деформации ведет к возрастанию теплового эффекта Диапазоны изменения величины температурного разогрева материала заготовки в очаге деформации с увеличением степени относительной деформации от 0,14 до 0,33 при различных температурах нагрева заготовки из сплава 1420 составляют:

- при температуре нагрева заготовки 400°С - от 30 до 70°С;

- при температуре нагрева заготовки 380°С - от 35 до 80°С;

- при температуре нагрева заготовки 360°С - от 45 до 100°С;

- при температуре нагрева заготовки 340°С - от 50 до 110°С;

- при температуре нагрева заготовки 320°С - от 60 до 120°С. Начальная температура оказывает влияние на величину и уровень диапазона: уменьшение температуры ведет к увеличению теплового эффекта. Это является следствием того, что при снижении температуры нагрева заготовки увеличивается сопротивление деформации материала Однако, при снижении температуры нагрева заготовки величина утяжины уменьшается.

Для выбора оптимального технологического процесса штамповки панелей с оребрением предложена зависимость

которая позволяет определить необходимую для получения качественного изделия толщину заготовки в зависимости от функции f(T,V). Значения данной функции для рассматриваемого сплава 1420 составляют:

• при скорости деформирования 0,4 мм/с: толщина заготовки S„ = 3,25 мм при температуре 340 - 400 °С; толщина заготовки Sn = 3,50 мм при температуре 320°С

• при скорости деформирования 0,2 мм/с толщина заготовки Sn = 3,25 мм при температуре 320 - 400 °С;

• при скорости деформирования 0,1 мм/с: толщина заготовки Sn = 3,00 мм при температуре 400°С; толщина заготовки S„ = 3,25 мм при температуре 340 и 380°С; толщина заготовки S„ = 3,50 мм при темпера-

4

туре 320 и 360 °С;

• при скорости деформирования 0,04 мм/с толщина заготовки 8П - 3,00 мм при температуре 320 - 400 "С.

Аналогичные результаты получены для сплава АМгб:

• при скорости деформирования 0,4 мм/с: толщина заготовки 5„ = 2,75 мм при температуре 340 - 400 °С; толщина заготовки 8„ = 3,00 мм при температуре 320 °С;

• при скорости деформирования 0,2 мм/с: толщина заготовки 8„ = 2,75 мм при температуре 320 - 360, 400 °С; толщина заготовки 8П = 3,00 мм при температуре 380 °С;

• при скорости деформирования 0,1 мм/с: толщина заготовки Бп = 2,50 мм при температуре 360 и 380 °С; толщина заготовки Б,, = 2,75 мм при температуре 320,340, 400 °С;

• при скорости деформирования 0,04 мм/с толщина заготовки Бп = 2,50 мм при температуре 320 - 400 °С.

5. Установлено, что свойство сверхпластичности при производстве панелей с оребрением стимулирует образование дефектов, т.к. в этом случае увеличиваются пластические и уменьшаются прочностные характеристики материала, что ведет к снижению жесткости полотна заготовки. Поэтому для получения качественного изделия необходимо обеспечивать изотермические условия деформирования.

6. Разработана система автоматизации управления процессом штамповки на термокомпрессионной установки, которая включает в себя блок автоматизированного управления термокомпрессионной установкой, персональный компьютер с вмонтированной платой ЦАП - АЦП, программное обеспечение, необходимое для задания и контролирования режимов штамповки.

7. Экспериментальная штамповка подтвердила результаты, полученные при помощи математического моделирования. При штамповке по расчетным режимам дефектов в образцах не наблюдалось. При отклонении режимов штамповки от расчетных значений полученные образцы имели утяжины, поры и зажимы

8. Для выбора оптимального технологического процесса штамповки панелей с оребрением необходимо придерживаться следующих рекомен-

дацин:

- скорость инструмента составляет не более 0,04 мм/с;

- рабочая температура процесса для сплавов определяется рекомендуемыми температурными интервалами горячей деформации, причем, для сплавов, склонных к сверхпластичности, необходимо брать нижний предел температурного интервала, для сплавов, не склонных к сверхпластичности, - верхний предел;

- толщина заготовки определяется соотношением толщины ребре b толщине заготовки S„, и составляет: для сплавов, склонных к сверхпластичности, 1,87 (1420), для сплавов, не склонных к сверхпластичности, 2,24 (АМгб).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Научно-технический журнал «Технология легких сплавов». «Практика применения математического моделирования при решении технологических задач обработки металлов давлением». Галкин В.И., Паршиков А.Н., Соколов A.B., Палтиевич АР., стр. 28 - 33, №1,2000 г.

2. Галкин В.И., Паршиков А.Н., Палтиевич А.Р., «Математическое моделирование процесса объемной штамповки ребристых панелей и волочения труб из ВКМ». В сб. научных трудов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», стр. 85 -90,1998 г.

3. Галкин В.И., Паршиков А.Н., Палтиевич А.Р. «Исследование напряженно-деформированного состояния и температурно-скоростных параметров процесса объемной штамповки». В сб. тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» ММТ - 98, стр. 68, 1998 г.

4. Паршиков А.Н. «Исследование характера течения металла и прогнозирование образования дефекта при штамповке на КГШП осесимметрич-ной детали методом конечных элементов».В сб. тезисы докладов ХХШ Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», стр. 39, 1997 г.

5. Паршиков А.Н., Шленский А., Павлов А., «Математическое моделирование прцесса штамповки панелей с оребрением». В сб. тезисы докладов XXV Международной молодежной научной конференции «Гага-

ринские чтения», стр. 321 - 322, 1999 г.

6. Паршиков А.Н., Баженов М.Г. «Автоматизированное управление процессом изотермической штамповки на термокомпрессионной установке». В сб. тезисы докладов XXVI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», стр. 323,2000г.

7. «Математическое моделирование процессов объемной штамповки ребристых панелей и волочения труб из ВКМ». Гашиш В.И., Паршиков А.Н., Палтаевич А.Р. В сб. «Труды МАТИ», в печати.

Подписано в печать 05.05.2000. Объем 1 п.л. Тираж 100. Заказ

Типография МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского, Берниковская наб., 14. 22