автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение в производство технологических процессов квазиизотермической штамповки заготовок ответственных деталей из титановых сплавов

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Сущность и преимущества объемной штамповки в изотермических условиях.

1.2. Особенности квазиизотермической штамповки заготовок из титановых сплавов.

1.2.1. Температура нагрева исходной заготовки больше температуры нагрева штампа.

1.2.2. Температура нагрева исходной заготовки меньше температуры нагрева штампа.

1.3. ЦЕЛЬ И.ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА КВАЗИИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ДЛЯ СЛУЧАЯ, КОГДА ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ МЕНЬШЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ШТАМПОВ.

2.1 .Изменение температуры полуфабриката в технологическом цикле изготовления штампованной заго товки.

2.1.1. Остывание жходной заготовки при переносе ее от нагревательного устройства к прессу.

2.1.2. Нагревание исходной заготовки в период от момента укладки ее в штамп do начат деформирования.

2.1.3. Нагревание заготовки в прогрессе деформирования.

2.2-Оптимизация скоростных и силовых параметров безоблойной штамповки осесимметричной заготовки из титанового сплава.

2.2.1. Обратное выдавливание заготовки {начальный зтап).

2.2.2. Заполнение угловых кольцевых полостей, образованных внутренним торцом пуансона и боковыми цилиндрическими поверхностями пуансона и матрицы.

2.2.3. Выдавливание металла в технологический зазор между пуансоном и матрицей (заключительный этап).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ.

3.1 .Влияние температурно-скоростных параметров на силовые характеристики деформации сплава вт1-0.

3.2. Влияние температуры и времени hai рева на структуру сплава ВТ1-0.

3.3.Определение степени заполнения металлом различных полостей штампа при формообразовании заготовки корпуса клапана.-.-.

3.4.Оценка влияния условий деформирования на характер течения металла при формообразовании заготовки корпуса клапана.

4. ОСВОЕНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КВАЖИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ.

4.1 .Модернизация нагревательного блока УИС-140 и гидравлического пресса ДЕ 2432, разработка нагревательного блока УИС-150.

4.2. Технология квазтшзотермической штамповки заготовок корпусов искусственного клапана сердца из сплава ВТ 1-0.

4.3:text тология квазиизотррмическотт штамповки заготовок рабочего колеса турбины центробежного насоса из сплава O i l- (.

4.4.технология изотермической штамповки заготовок корпусов наручных часов из сплавов от4-1 и вт22.

4.5.Эфф1;ктив! ¡ость iipoi и;саж квазииз<>п;рми41 ;ci«т штамповки 3ai ототюк из tutai юных сплавов.

Развитие современного машиностроения требует создания технологических процессов, обеспечивающих высокое качество продукции при минимальной ее себестоимости. Сказанное в значительной степени относится к заготовительному производству, на стадии которого решаются вопросы рационального использования конструкционных материалов и, в известной степени, закладываются свойства детали.

В настоящее время в технике все шире применяются сплавы на основе титана. Благодаря комплексу уникальных эксплуатационных характеристик (небольшая масса в сочетании с высокой удельной прочностью, жаропрочность, стойкость к агрессивным средам и др.) эти материалы находят распространение в авиации, космической технике, судостроении, нефтяной и химической промышленности. Титановые сплавы начинают широко использоваться в медицине, в частности, для изготовления протезов, вживляемых в человеческий организм.

Однако сплавы на основе титана являются весьма дорогими конструкционными материалами (продажная цена 1кг титанового сплава на мировом рынке сегодня превышает 1520 USD), что делает вопросы повышения эффективности технологий изготовления титановых изделий еще более актуальными.

Одним из видов заготовительного производства является горячая объемная штамповка. Оптимальная технология штамповки должна обеспечивать получение точных заготовок с малыми припусками на обработку резанием или без них, сокращение расхода металла па стадии превращения исходного полуфабриката в штампованную заготовку, а также требуемый уровень механических свойств металла. В то же время низкие технологические свойства титановых сплавов приводят к тому, что традиционная горячая штамповка, осуществляемая на молотах и прессах при значительной разнице в температурах нагрева исходной заготовки и штампа, не является рациональной для изготовления точных штампованных заготовок, поскольку сопряжена с высокими удельными усилиями деформирования, существенной неравномерностью структуры и свойств в объеме штампованного изделия, значительным расходом металла, низкой стойкостью штамповой оснастки. Штампованный полуфабрикат имеет, как правило, значительные допуски на размеры, напуски и припуски на обработку резанием, что приводит к большому объем}' механической обработки, а нередко и ручных доводочных работ. Обработка титановых сплавов резанием связана с увеличенным станочным временем и значительным расходом режущего инструмента.

Известен предложенный в шестидесятые годы приблизительно в одинаковое время у нас в стране (в Научно исследовательском институте авиационной технологии) и в США (в Ил-линойском технологическом институте) способ изотермического деформирования металлов, основанный на применении штампо-вого инструмента, нагретого до температуры деформации*. В процессе деформирования остывание нагретой заготовки практически исключается, что существенно расширяет возможности выбора и поддержания оптимального для каждого конкретного случая термомеханического режима деформации, то есть сочетания температуры, скорости и степени деформации. Реализация способа изотермического деформирования обеспечивает по сравнению с традиционной горячей штамповкой ряд значительных преимуществ, основными из которых являются резкое повышение качества штампованных заготовок, включая точностные параметры. структуру и свойства металла, состояние поверхности, а также сокращение расхода дорогостоящих конструкционных материалов и объема последующей механической обработки.

В настоящее время способ высокотемпературного изотермического деформирования вышел за рамки экспериментальных исследований и внедрен в опытном и серийном производстве на ряде заводов России и стран СНГ при изготовлении достаточно широкой номенклатуры изделий из алюминиевых, магниевых, титановых сплавов (заготовки корпусов, фитингов, кронштейнов, лопаток компрессора и т.п.).

При реализации строго изотермических условий штампо-вый инструмент и исходную заготовку нагревают до одинаковой температуры (температуры деформации). Однако в ряде случаев исходную заготовку целесообразно нагревать до температуры, большей или меньшей температуры штампа, то есть деформирование, во всяком случае, в начальной стадии, осуществляют при некоторой разнице в температурах заготовки и инструмента. Такой способ деформирования называют «квазиизотермическим».

В первом случае интенсивность остывания, как правило, массивной заготовки, нагретой до температуры деформации в штампе, нагретом до меньшей, но, тем не менее, высокой темпе

Рсчь идет о высокотемпературном изотермическом деформировании, при котором инструмент нагревают до температуры 800-1000 °С. ратуры, весьма незначительна. При этом можно достичь снижения усилия деформирования и нагрузок на инструмент, уменьшения мощности деформирующего оборудования, успешной штамповки заготовок из жаропрочных сплавов в штампах из материалов, которые применяются при изотермической штамповке, например, титановых сплавов, или применения более дешевого деформирующего инструмента с меньшей жаропрочностью. Тем не менее, как уже было отмечено, эффективное применение процесса требует использования или массивных исходных заготовок или незначительной разницы в температурах нагрева заготовки и штампа.

Во втором случае заготовка, имеющая меньшую температуру, чем штамп, нагревается вследствие контактного теплообмена со штампом. При этом можно достичь уменьшения взаимодействия заготовки с окружающей средой при нагреве в печи, избежать нежелательного огрубления структуры металла, повысить равномерность течения металла заготовки, поскольку поверхностные слои, контактируя со штампом, приобретают большую текучесть, что в известной мере компенсирует негативное влияние трения на контакте, и др. Применительно к титановым сплавам можно уменьшить образование альфированного слоя на поверхности нагреваемой заготовки, более строго контролировать структуру заготовки, предположить улучшение затекания металла в узкие и глубокие полости штампа. Очевидно, что указанный способ квазиизотермжческой штамповки перспективен для получения деталей сложной формы из титановых сплавов, к структуре и свойствам которых предъявляются повышенные требования.

Однако способ квазиизотермического деформирования сплавов на основе титана, при котором заготовки нагреваются до температуры, меньшей, чем температура нагрева штампа, изучен крайне мало и практически не применяется. Известна работа, касающаяся расчета изменяющихся по ходу деформации параметров изотермического деформирования и выполненная применительно к простейшему случаю свободной осадки цилиндрической заготовки в торец[13]. В этой работе рассмотрен также случай, когда температура штампа превышает температуру заготовки. Исследования же, связанные с обоснованием режимов квазиизотермической штамповки титановых заготовок сложной формы, в литературе отсутствуют. В частности, нет рекомендаций по выбору конкретных температур нагрева исходной заготовки в печи и штампа в установке для изотермического деформирования, а также по расчету скоростного режима штамповки, обеспечивающего заданный запас прочности дорогостоящего штампа при приемлемой производительности процесса штамповки. Не изучен вопрос влияния квазиизотермических условий на уменьшение или устранение дефектов, являющихся следствием неравномерного течения металла при деформировании. Не рассмотрены аспекты практического плана, касающиеся освоения реальных процессов квазиизотермической штамповки титановых полуфабрикатов.

В настоящей работе изложены результаты исследований, разработки и внедрения в производство технологических процессов квазиизотермической штамповки заготовок деталей из титановых сплавов, форм ообразуемых по схеме обратного выдавливания. Цель данного исследования - повышение эффективности применения процесса деформирования в изотермических условиях за счет использования способа квазиизотермической штамповки, обеспечивающего получение высококачественных титановых заготовок сложной формы, и расширения номенклатуры ответственных деталей, отвечающих повышенным требованиям к их структуре и эксплуатационным характеристикам.

Научная новизна работы заключается в следующем. Сформулирован подход к исследованию параметров квазиизотермической штамповки сложных заготовок, формообразуемых по схеме обратного комбинированного выдавливания, в соответствии с которым течение металла изучается в зоне с аналитически описываемым полем скоростей деформации, а влияние второй зоны учитывается уменьшением скорости деформирования в первой с использованием результатов экспериментов по определению степени затекания металла в различные полости штампа.

С использованием такого подхода разработана методика поэтапного изучения зависимости параметров квазиизотермической штамповки от хода пуансона, учитывающая тепловой эффект деформации и нарастание усилия в начальной стадии деформирования до заданного значения, диктуемого необходимым запасом прочности инструмента.

Установлены аналитические зависимости напряжения течения технического титана ВТ 1-0 в изотермических условиях от скорости деформации и температуры с получением численных значений соответствующих коэффициентов, необходимых для расчетов режимов процесса.

Обоснованы оптимальные значения температуры нагрева исходных заготовок в печи и штампа в установке изотермического деформирования при квазиизотермической штамповке заготовки корпуса искусственного клапана сердца из технического титана ВТ 1-0, поставляемого по специальным техническим условиям.

Установлена возможность устранения дефектов в сложных штампованных заготовках, являющихся следствием неравномерного течения металла, путем реализации квазиизотермических условий деформирования; при этом выравнивание течения металла может являться следствием, как непосредственного влияния контакта титановой заготовки с более нагретыми стенками штампа, так и сохранения исходной структуры сплава, отличающейся существенной зависимостью напряжения течения от скорости деформации.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до уровня, достаточного для корректного решения инженерных задач, и использованы при разработке режимов квазиизотермической штамповки сложных заготовок корпуса искусственного клапана сердца из технического титана ВТ 1-0.

Разработаны технологические процессы квазиизотермической штамповки точных заготовок корпуса искусственного клапана сердца из сплава ВТ 1-0 и рабочего колеса центробежного насоса из сплава ОТ4-1. После механической обработки штампованных заготовок корпуса клапана сердца были подвергнуты ускоренным стендовым испытаниям и выдержали базовое число циклов нагружения. В настоящее время искусственные клапана сердца с титановым корпусом, изготовленным с применением квазиизотермической штамповки, успешно имплантированы пациентам. Окончательно обработанные рабочие колеса после сборки центробежной турбины были испытаны при эксплуатации погружного насоса в условиях Крайнего севера в течении трех месяцев. После разборки насоса рабочие колеса не имели следов износа.

Штампованные опытно-промышленные партии заготовок корпуса клапана и рабочего колеса переданы Заказчикам и получили их высокую оценку. На разработанные технологические процессы получены акты внедрения.

Доказано, что применение квазиизотермической штамповки может существенно повысить качество формообразуемых заготовок и расширить область эффективного применения процесса изотермического деформирования, в том числе за счет вовле

1. Состояние вопроса

5. Основные результаты и выводы.

1. Разработанный и доведенный до стадии промышленного внедрения способ квазиизотермического деформирования титановых сплавов повышает эффективность изотермической штамповки за счет вовлечения в номенклатуру штампованных изделий заготовок сложной конфигурации, к качеству которых предъявляются повышенные требования.

2. В результате выполненного теоретического анализа квазиизотермической штамповки сложной по конфигурации заготовки корпуса клапана из сплава ВТ1-0, формообразуе-мой по схеме обратного комбинированного выдавливания в закрытом штампе, получены зависимости основных параметров деформирования от хода пуансона с учетом теплового эффекта деформации и нарастания усилия в начальной стадии процесса. При этом анализировали деформацию в кольцевой зоне заготовки, примыкающей к матрице, а уменьшение скорости деформирования по отношению к скорости пуансона определяли на основании экспериментальных замеров степени затекания металла в кольцевую и центральную зоны заготовки на различных этапах деформирования.

3. Установлен оптимальный режим квазиизотермической штамповки сложных заготовок в закрытом штампе, обеспечивающий высокую стойкость штампа и минимальную продолжительность деформации, при котором задается постоянное усилие штамповки, а время деформирования является функцией этого усилия.

4. Изучена деформируемость сплава ВТ 1-0 в изотермических условиях, что позволило получить численные значения коэффициентов, входящих в уравнение нелинейно-вязкой среды, корректно описывающее связь между напряжением течения металла и скоростью деформации.

5. В результате металлографического анализа микроструктуры катаного прутка из сплава ВТ 1-0, поставляемого по специальным техническим условиям, установлено оптимальное соотношение температур нагрева исходной заготовки в печи и инструмента в штамповом блоке установки изотермического деформирования.

6. Сформулированы основные преимущества квазиизотермического деформирования заготовок из титановых сплавов, заключающиеся в уменьшении взаимодействия на

102 гретого металла с окружающей средой, снижении энергозатрат на нагрев заготовок, стабилизации исходной структуры сплава, возможности устранения (уменьшения) дефектов в виде зажимов, возникающих вследствие неравномерности течения металлов при формоизменении.

7. Выполнена модернизация гидравлического пресса ДГ-2432 усилием 1,6 МН и нагревательной установки УИС-140; с использованием доработанных пресса и установки в Лабораторном корпусе ОАО НИАТ запущена в эксплуатацию первая очередь экспериментально-производственного участка деформирования в изотермических условиях.

8. Разработаны, освоены и внедрены в производство процессы квазиизотермической штамповки точных заготовок корпуса искусственного клапана сердца из сплава ВТ 1-0 и рабочего колеса центробежного насоса из сплава ОТ4. Требуемые эксплуатационные характеристики подтверждены результатами ускоренных стендовых испытаний (корпус клапана) и натурных испытаний погружных нефтяных насосов в условиях Крайнего севера (рабочее колесо).