автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса гидроударной формовки титановых сплавов с предварительным нагревом заготовок

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

РГЬ ОД —-

2 с 31 ШЗ'»

Па правах рукописи

ГЛУБОКИЙ Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИДРОУДАРНОЙ ФОРМОВКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВОМ ЗАГОТОВОК

05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

I

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1994

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии

Научный руководитель

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.С.ПЕТРАКОВСКИЙ

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Г.М.ЖДАНОВИЧ

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Г.Н.ЗДОР

Ведущее предприятие

- Минский автомобильный завод ПО "БелавтоМАЗ"

Защита диссертации состоится " ¿8» ИУоН^ 1994 Года в 10 часов на заседании специализированного совета Д 056.02.03 при Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 22002?, Минск, пр-т Ф.Скорины, 65, корп. 1, ауд. 202.1 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГПА. Отзыв по данной работе, заверенный печатью, просьба направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан

■■ ¿7 и

1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд.техн.наук, доцент

И.В.Коновалов

© Белорусская государственная политехническая академия, 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. ЛистоЕые титановые сплавы широко используются как конструкционные материалы в различных отраслях промышленности от ракето-, авиа- и приборостроения до производства товаров народного потребления. Повышение значений предельных показателей штампуемости этих материалов нередко становится неразрешимой технологической задачей при использовании традиционных методов листовой штамповки,•К настоящему времени достигнуты определенные успехи в области практического применения технологии высокоскоростной гидроударной штамповки. Основными достоинствами гидроударного метода обработки являются легкость переналадки на выпуск новой продукции, дешевизна оснастки, экологическая чистота процесса, безопасность источника импульсной энергии и получение качественного изделия с'формированием комплекса повышенных физико-механических и эксплуатационных свойств. Для улучшения штампу-емостн и интенсификации процесса деформирования титановых сплавов при гидроударной формовке может использоваться предварительный нагрев заготовок. Однако необходимые для освоения этой технологии данные о влиянии степени нагрева на штампуемость листовых титановых сплавов при горячей гидроударной формовке и методики расчета параметров процесса отсутствуют. Это определяет актуальность исследования процесса гидроударного нагружения и формообразования титановых сплавов при различных температурно-скоростных условиях и требует разработки математической модели, определения оптимальных параметров процесса и обобщения результатов в удобном для практического использования виде.

Цель исследования - теоретически и экспериментально установить основные закономерности процесса формообразования листовых титановых сплавов при гидроударной формовке с нагревом и разработать рекомендации по определению оптимальных энергосилоЕых и температурных режимов.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса гидроударной формовки с предварительным нагревом заготовок. На основе предложенной модели определены оптимальные элергосиловые и температурные режимы процесса формовки для титановых сплавов различной прочности..

Разработана и изготовлена гидроударная установка с постом

т ■

электроконтактного нагрева заготовок. Новизна научно-технической разработки устройства для гидроударной формовки с нагревом подтверждена авторским свидетельством.

Разработаны методики измерения силовых и кинематических параметров формообразования и исследования штампуемости при гидроударной формовке с предварительным нагревом заготовок. Получены величины предельных степеней формовки титановых сплавов при различных температурах штамповки и установлена взаимосвязь между предельной степенью формовки и основными технологическими факторами. Определены оптимальные значения относительной массы бойка для различных штамповочных температур. Установлено влияние предварительного нагрева заготовок на штампуемость при двухпереходной операции гидроударной формовки.

Практическая ценность. Установлены предельные показатели штампуемости титановых сплавов при гидроударной формовке с нагревом заготовок. Определены оптимальные температурные и знергосило-вые режимы процесса гидроударной формовки. Разработана программа их расчета с помощью средств вычислительной техники. Установлен оптимальный вариант температурных режимов на переходах гидроударной формовки с нагревом. Даны рекомендации по выбору способа нагрева и вида передающей среды. Результаты исследований обобщены в виде номограмм штампуемости, предназначенных для выбора режимов гидроударной формовки титановых сплавов с предварительным нагревом заготовок.

Разработана инженерная методика проектирования технологического процесса гидроударной формовки титановых сплавов с предварительным нагревом заготовок. По этой методике разработаны технологические процессы изготовления деталей типа сферических сегментов, кольцеьых ребер жесткости и ступенчатого рельефа.

Результаты работы Енедрены на предприятиях НПО машиностроения г.Реутов Московской обл., п/я А-3700 г.С.-Петербург, ЛО "Экран" г.Борисов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель процесса гидроударной формовки труднодеформируемых материалов с нагревом.

2. Устройство для гидроударной штамповки с эдемроконтактным нагревом заготовок и способы интенсификации процесса формообразования.

3. Методики и результаты измерения силовых и кинематических

параметров процесса формообразования и исследования штампуемости гитаноЕых сплавов при гидроударной формовке с различными температурными режимами.

4. Инженерная методика определения оптимальных энергосилоЕых и температурных режимов и рекомендации по разработке технологических процессов гидроударной формовки с нагревом.

Апробация-работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на региональных научно-технических конференциях в Таллинне (1986), Кишиневе (1987), Риге (1988), Всесоюзной научно-технической конференции по импульсным методам обработки в Харькове (1990), научно-технических конференциях БГПА и на заседании кафедры "Машины и технология обработки металлов давлением".

По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы, имеется изобретение, защищенное авторским свидетельством, составлено 3 отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, обшлх выводов, списка литературы, включающего 157 наименований, и приложения. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы и указаны основные научные положения, выносимые на защиту.

Е первой главе рассмотрено состояние вопроса, сделан обзор литературных источников, посвященных исследованию ударной штамповки труднсдеформируемых материалов, используемых в различных отраслях промышленности от ракето- и авиастроения до производства товаров народного потребления. Проведен сравнительный анализ гидроударного метода с другими импульсными и традиционными инструментальными методами, а также с гидростатической листовой штамповкой. При этом выявлены его достоинства, главными из которых следует считать легкость переналадки на выпуск новой номенклатуры изделий, безопасность в работе и экологическую чистоту процесса. ¡1 недостатки, такие как ограниченность в отношении изготовлейия крупногабаритных изделий и относительная малоизученность. Установлены также недостатки холодной листовой штамповки титановых сплавов, сводящиеся'к надрезоопаскссти поверхности и низкой деформируемости этих материалов. Совместное применение гидроударно-

го метода и средств нагрева заготовок снимает указанные проблемы. Рассмотрены все известные в обработке металлов давлением способы нагрева листовых материалов. Показано, что наиболее перспективны-, ми е отношении применения к гидроударной штамповке листовых титановых сплавов являются нагрев методом сопротивления (электроконтактный) и элементами сопротивления (печной). Последний более универсален с точки зрения формы заготовки.

На основании имеющихся данных литературных источников нельзя однозначно оценить совместное влияние величины скорости деформирования и степени нагрева на деформируемость материала. К тому же недостаточно хорошо изучена область высоких скоростей - порядка нескольких десятков метроЕ в секунду. В первом приближении считается, что при увеличении скорости предел текучести растет, а показатели деформируемости падают.

Имеющиеся данные по холодной штамповке импульсными методами нуждаются в дополнении по горячей штамлсшке с учетом доминирующего механизма деформации, теплового эффекта и изменений в микроструктуре материала. Существующее классическое представление, что образующиеся в ходе процесса следы двойникования препятствуют дальнейшему его развитию путем скольжения и повышают сопротивление пластической деформации, может быть пересмотрено с точки зрения позитивной роли доминирующего двойникования в ходе дальнейшей деформации. Создание условий для эффекта сверхпластичности проблематично при высокоскоростной штамповке титановых сплавов. Определенным сочетанием характеристик температурно-силового режима гидроударной формовки титановых сплавов с нагревом обеспечивается протекание процесса с доминированием благоприятного механизма деформации.

Проведенный анализ и поставленная цель работы позволяют сформулировать основные задачи исследования:

1. Разработать математическую модель процесса гидроударной формовки с предварительным нагревом заготовок и программу оптимизации температурно-силовых режимов с применением средств вычислительной техники.

2. Экспериментально исследовать влияние температуры нагрева на штампуемость титановых сплавов при гидроударной формовке, а также на знергосиловые и кинематические параметры процесса формообразования.

3. Разработать средства интенсификации процесса формообразо-

вания и установить оптимальные способы нагрева и еид передающей среды.

4. Разработать инженерную методику проектирования технологических процессов гидроударной формовки с нагревом заготовок.

Во второй главе приведены сведения об обрабатываемых материалах, оборудовании, приборах и методиках исследования штампуемос-ти титановых сплавов при гидроударной формозке с различными температурными режимами. Из большого числа распространенных марок титановых сплавов для исследования были выбраны сплавы высокой прочности ВТ5 и ВТ14 (последний практически не штампуется вхолодную), средней прочности 0Т4 и технический титан ВТ1-0. Приведены механические характеристики выбранных материалов, на основании которых рассчитан показатель деформируемости (бв - бо,2)/бв, где бв и бо, 2 _ пределы прочности и текучести титановых сплавов для различных температур нагрева.

Сравнительный анализ наиболее перспективных способов импульсной штамповки с нагревом позволил оценить эффективность различных схем ударней штамповки листовых нагретых заготовок из трудно-деформируемых материалов и представить их классификацию в виде структурной схемы. Для экспериментов выбрана схема гидроударной формовки с направлением разгона бойка сверху-вниз и выходом рабочей камеры вниз. При этом используется метаемое тело в виде жесткого бойка и в качестве передающей среды применяется жидкость, а нагрев штампуемой заготовки осуществляется электроконтактным методом или в печи сопротивления. Эксперименты проводились на специальной гидроударной установке с постом электроконтактного нагрева. Импульсное нагружение образцов производилось за счет удара разогнанного в стволе установки бойка по замкнутому в рабочей камере объему жидкости. Нагрев образцов осуществлялся до верхнего предела диапазона штамповочных температур. Температура нагрева по сечению образцов контролировалась хромель-Копелевыми термопарами с применением прибора ПП63, а запись изменения температуры штамповки производилась на автоматических приборах КСЗ и КС114. Диаграммы, полученные в ходе предварительных экспериментов, демонстрируют основные достоинства выбранной схемы гидроударной формовки с нагревом. Во-первых, свозится к минимуму промежуток времени между окончанием нагрева и началом процесса деформирования. Во-вторых, процесс деформирования, длительность которого составляет миллисекунды, завершается раньие, чем образец

успевает остыть при контакте с рабочей жидкостью до нижнего предела температурного диапазона. С другой стороны диаграммы показывают, что температура образцов при гидроударной штамповке не превышает верхнего предела диапазона штамповочных температур и отсутствует существенное влияние теплового эффекта высокоскоростной деформации. Ка основании вышеизложенного можно рассматривать процесс гидроударной формовки с нагревом как изотермический.

За критерий шта\отуемости при гидроударной формовке была принята величина степени формовки

К«, - h/d, (1)

где h - высота формуемой лунки, мм; d - диаметр матрицы, мм.

Однако установлено, что увеличение относительной высоты формуемой лунки существенно отстает от роста утонения в вершине. Поэтому предложено рассматривать степень формовки Кф в комплексе с радиальной деформацией

A3

£з--, (2)

So

где ДБ - 3 - S0 - утонение в вершине лунки, мм; 5 и S0 - соответственно полученная и исходная толщина материала в рассматриваемом сечении, мм.

При горячей формовке опасным сечением может быть не только сечение у вершины лунки, но и в точке перегиба ее образующей, а также над. тороидальной кромкой матрицы. В связи с возникающей разнотолщинностью анализировались распределения утонения вдоль образующей рельефа формируемой лунки. Изменение положения опасного сечения заготовки при гидроударной формовке с нагревом для разных температурно-скоростных режимов штамповки потребовало исследования микроструктурного состояния материала в различных сечениях образцов. Методом оптической микроскопии с увеличением до £000 раз производилось изучение микроструктуры титановых сплавов. При этом" устанавливались вид доминирующего механизма деформации, форма следов скольжения или двойникования, ориентировка зерен и двойников относительно действующего усилия.

Для определения амплитуды и длительности импульса давления в рабочей камере гидроударной установки использовались тензорезис-торные датчики давления. Для измерения кинематических параметров движения деформируемых участков заготовки применен фотометрический метод регистрации перемещения тени получаемого рельефа. Запись осциллограмм перемещение-скорость и давление-скорость для

различных температурно-скоростных условий процесса осуществлялась на цифровом запоминающем двухлучевом осциллографе С9-8.

В третьей главе проведены теоретическое исследование и разработка математической модели процесса гидроударной формовки с предварительным нагревом. Целью исследования являлось определение оптимальных температурно-силовых режимов процесса, обеспечивающих повышение предельных показателей штампуемости труднодеформируемых материалов. Математическая постановка и строгое решение задачи о развитом пластическом формоизменении при импульсном нагружении усложняются в связи с нестабильностью протекающих физических явлений в процессе деформации. При определении силовых параметров деформирования применяется их приближенное вычисление.. При этом нет необходимости определять напряжения в каждой точке деформируемой заготовки, а достаточно рассчитать напряжение в опасном сечении заготовки на контактной поверхности с передающей средой. Для разработки приближенной математической модели гидроударной формовки труднодеформируемого материала с нагревом был сделан ряд допущений. Полагалось, что распределение давления передающей среды по поверхности заготовки равномерное; передающая среда, заготовка и матрица рассматриваются как сплошные среды с различными механическими характеристиками; материал заготовки изотропен и несжимаем, упругие деформации ке учитываются вследствие больших пластических деформаций, толщина листа по сравнению с другими геометрическими размерами заготовки незначительна; продолжительность процесса деформирования тлеет тот же порядок, что и длительность импульса давления. Исходя из дифференциального уравнения движения для случая импульсного нагружешя и предположения о взаимосвязи между интенсиЕЛОстями изменения нормальных напряжений вдоль одной из координатных осей было получено приближенное уравнение движения в виде

I2 - х2 дг5у 32СУ 2х Збу

--— -- + ------0 (3)

I2 Эх2 Зу2 1 Ох

Решение смешанной задачи для гиперболического дифференциального уравнения произведено методом Фурье с разделением переменных и применением принципа суперпозиции. В результате уравнение принимает вид уравнения Лежандра и его интегрирование позволяет найти формальные решения в виде бесконечных рядов и получить выражения для расчета напряжений в опасном сечении заготовки

1 0 ЗХп(х) ох - ,5 (ап51пЛпу + ЬпС05Хпу) I (1- хл) -;— с!х, (4)

го

о у - г.Ео(ап51пХпу + ЬпС05\пу) Хп(7.), (5)

1 „ » ахпСх.)

6ху1у-0--(1-х.'-) Е - Ап(Ьп(51п\пЗ - з1 лАпУ) -

1 г'~° с1х

-апСсобХпЗ - СОБХПУ)) (6) х

где Ап - коэффициент решения Фурье, х - —— относительная координата, 1 - проекция образующей контактной поверхности, Б - толщина листа, Хп(х) - полиномы Лежандра, ап и Ьп - постоянные интегрирования ;

собХпЗ 2П + 1 1 ап - -Ьп- , Ьп--Р I Хп с1х,

Б1п\|-)3 2 о

Р - давление в рабочей камере.

Внутри сплошной среды величина напряжения может отличаться от значений на поверхности контакта, рассчитанных по выражению (6), и определяется максимальное главное касательное напряжение в опасном сечении заготовки

Тщ - — / (бу - бх)2 - 46ху2 (.7)

г»

Для оптимизации режимов процесса гидроударной формовки с нагревом труднодеформируемых материалов рассчитываются напряжения в опасном сечении заготовки по выражениям (4)-(?). Касательное напряжение на контактной поверхности с передающей средой или максимальное главное касательное напряжение на наклонной площадке сопоставляется с механическими характеристиками (пределом прочности и пределом текучести) титановых сплагов при соответствующей температуре нагрева. Превышение расчетными значениями напряжений предела прочности при температуре нагрева свидетельствует о невозможности формообразования при созданном давлении в камере и выбранном температурном режиме вследствие вероятности разрушения листовой заготовки над тороидальной кромкой матрицы. Если в деформируемом листе касательные напряжения достигают величины предела текучести, то в нем начинается пластическое течение, обеспечивающее формообразование изделия с оптимальными силовыми и темпе

ратурными режимами.

Программа определения оптимальных режимов гидроударной формовки с нагревом составлена на языке FORTRAN и реализована на ПЭВМ IBM PC 386. Бри аналитическом расчете напряжений с помощью средств вычислительной техники полиномы Лежандра рассчитываются по стандартной подпрограмме.

Результаты расчетов, проведенных для технического титана ВТ1-0 и титановых сплавов 0Т4, ВТ6 и ВТ14, представлены в виде' теоретических зависимостей давления в рабочей камере от температуры штамповки, которые были подтверждены в ходе экспериментальных исследований штампуемости указанных материалов при гидроударной формовке с нагревом.

Разработанная математическая модель может применяться при решении практических задач для конкретных схем гидроударной формовки с нагревом.

Для случая формовки высокопрочного материала в пластичном пакете рассчитываются касательные напряжения на контактных поверхностях заготовки с листами пакета

1-х.2 dXn

бху|у=о--— _?0 ап —- • (.3)

1 п и dx

1-х2 с» 1 dXn

6xyly=S - —— n?0- (bsinXnS - ancosXnS) — -

1 Afj dx

IS 1 (9)

--„ I У(х) dx,

1 - x'- о

где ?(x) - функция полинома Лежандра.

Оптимальные условия формообразования высокопрочного материала в пластичном пакете при гидроударной формовке с нагревом создаются, когда касательные напряжения на поверхности контакта заготовки с нижним листом пакета выше предела текучести, а на поверхности контакта с верхним листом ниже предела прочности материала при заданных штамповочных температурах t.

При решении задачи с наложением условий теплопроводности получается выражение для температурного расчета опасного сечения заготовки при гидроударной формовке с нагревом

1 1 „ ™ <° dXn dXm

Т(у)--I (1 - х") L L - - dx *

23tRGcp о m-° n"° dx dx

* XnXm(.bn (sirUn3 - siriXny) - an(ccsAn3-cosXny) *

* (Ьщ (зшАтБ - 51пХгоу) - а,,-, (созХт 5 - созХт у)) (10)

где В - радиус полости матрицы, 6 - модуль сдвига, сир- соответственно теплоемкость и плотность материала заготовки, а^ и Ьт - постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий;

созАщЗ 2т + 1 \

ат - -Ь,п- , Ьт - - Р Л Хп ах, (11)

з1гГАт5 2 о

Бри назначении температуры штамповки и давления б рабочей камере производится расчет распределения температуры по сечению заготовки и сравнение с диапазоном штамповочных температур. Установлено, что температура в опасном сечении при гидроударной формовке титановых сплавов не превышает верхнего предела диапазона штамповочных температур и тепловой эффект деформации существенно не влияет на температурный режим процесса. Это подтверждено и результатами экспериментального исследования процесса гидроударной формовки с нагревом.

В четвертой главе изложены результаты экспериментального исследования процесса гидроударной формовки листовых титановых сплавов с предварительным нагревом.

В результате четырехфакторного эксперимента получено уравнение регрессии для геометрических характеристик процесса, силоеого и температурного факторов. Корреляционные коэффициенты уравнения регрессии показали существенное положительное влияние температуры нагрева I на показатель штампуемости Кф при последующей гидроударной формовке образцов.

На первом этапе исследований получены экспериментальные данные об изменении показателей штампуемости сферических сегментов и кольцевых ребер жесткости с ростом температуры штамповки. Сравнительный анализ показателей штампуемости при гидроударной формовке показал, что достаточно полно характеризуют результат указанной операции штамповки относительная высота лунки Ь/ё (степень формовки) и радиальная деформация в вершине лунки £3. Графические зависимости степени формовки Ь/с) и радиальной деформации ез от температуры штамповки Ь с различными способами нагрева при фиксированном значении удара показали плавное изменение штампуемости с повышением температуры и резкий рост значений Ь/б при температуре динамической рекристаллизации для гсех исследованных материалов. Электроконтактный метод нагрева позволяет проводить нагрев образцов б рабочей зоне гидроударной установки, что сокращает время

между окончанием нагрева и началом деформирования. Для графических зависимостей степени формовки с печным нагревом титановых сплавов ЕТ14, ВТб и 0Т4 характерны провалы пластичности, вызванные неизбежной выдержкой образцов в штамповочном диапазоне температур из-за необходимости их транспортировки в рабочую зону. При использовании скоростного электроконтактного нагрева эти провалы пластичности не наблюдались, а имел место плавный рост величины h/d в интервале до температуры горячей деформации. Отсутствовали провалы пластичности и на графиках h/d(t) для технически чистого титана BT1-Q. Это подтверждает предположение о связи провалов пластичности с микроструктурой материала, в частности, с наличием скоплений примесей сплавов, препятствующих пластическому течению нагретого материала образцов. Установлено, что оптимальными температурными интервалами гидроударной штамповки с предварительным нагревом заготовок являются для титановых сплавов ВТ14, ВТ6 и QT4 соответственно 1010-9?0°С (повышение степени формовки в 5-10 раз), 980-950 °С (повышение в 2-3 раза) и 890-850 °С (в 1,5-2,5 раза), а для технического титана ВТ1-0 - 830-780 °С (повышение степени формовки в 1,5-2 раза). В этих диапазонах температур штампуемость при гидроударной формовке значительно улучшается, а отрицательные поверхностные явления при скоростном нагреве существенно не проявляются. Указанные интервалы определены на основании анализа графических зависимостей предельных степеней формовки Кф(1), построенных по критическим течкам для различных величин энергии удара V) (рис. 1).

На основании анализа распределения радиальной деформации по образующей установлена связь между положением опасных сечений формуемой лунки и механическими характеристиками материала, температурой штамповки и видом механизма деформации. Эксперименты показали, что повышение предельной степени формовки при горячей гидроударной штамповке достигается благодаря перераспределению радиальных деформаций в сравнении с холодной формовкой. Это подтверждается микроструктурным анализом опасных сечений образцов и обобщенными данными о доминирующем механизме деформации и преиму-% щественнсй ориентировке его следов относительно направления действующего усилия. Микроструктуры образцов, полученных холодной гидроударной формовкой демонстрируют подтверждение представлений о совместном протекании двух механизмов деформации. В сечении над тороидальной кромкой матрицы преобладают двойники. В точке пере-

к/а

О,¡5

0,4 0,3 0,2

0,1

1 ?

5 4 ъ. Ух 1 |\1

3 1 1 \п

0 200 400 600 °С 1000

■ь—

0,3 0,2

0,1

• 5

6

8 7

О 200 400 600 °С 1000 ■к-

№

0,4; 0,3 0,2

0,1

г /

7 6

о—

О 200 400 (300 °С 1001

-I —

0,3

0,2

Ь/с1

0,1

6 5

7

8

О 200 400.600 °С 1001 х-—"

Рис - I. Зависимость степени формовки титановых сплавов от температуры дтамцовки при различных энергиях удара:

а) ВТ1-0 (I - 8/с1 = 0,02, П - 5/(1 = 0,0141, б) 0Т4 ( = 0,02) в) БТб ( 5/а = 0,04), г) ВТ 14 ( ¿/(1 = 0,04); о- относительная высота лунки, в - предельная степень формовки; энергии удара Ш : I - 114, 2 - 142, 3 - 171, 4 - 200, 5 - 314, о - 435, 7 - 655, 8 - 900 Дж

гиба образующей скольжение не столь значительно подавляется деой-никованием. В вершине лунки имеет место более интенсивное скольжение. При сравнении микроструктур, отснятых в аналогичных точках образцов, полученных горячей гидроударной формовкой, отмечены явная активность в отношении образования двойников в точке перегиба образующей и относительная пэссиеность зерен, обусловливающая лишь редкие скачковые перебросы узлов решетки, в сечении над тороидальным ребром матрицы.

Таким образом при горячей гидроударной формовке труднодефор-мируемых титановых сплавов предоставляется возможность существенно повысить предельную степень формовки за счет равномерного распределения утонения материала по образующей. Это показывает и совместное рассмотрение изменений предельных степеней формовки К® и радиальных деформаций е3 при различных температурах штамповки (рис.2). Из графиков для горячей деформации следует, что необходимо стремиться однако не к увеличению пиковых значений радиальной деформации, а к приближению величины утонения в опасных сечениях к среднему уровню радиальной деформации по образующей лунки.

Сглаживание пиков радиальных деформаций ев в опасных сечениях заготовки с повышением предельной степени формовки Кф при горячей деформации обеспечивается уменьшением относительной массы бойка а - 1%/ллб, где тж и шз - массы соответственно рабочей жидкости в камере и бойка. Таким образом благоприятные условия для горячей гидроударной формовки создаются благодаря уменьшению скорости удара при увеличении массы бойка Шб и постоянстве объема жидкости в рабочей камере Уж. При этом длительность импульсов давления, которая максимальна для тяжелых бойков, на порядок меньше длительности процессов рекристаллизации и остывания заготовки. Однако применение бойков относительно больших масс (« < 0,10) ограничивается предельно низкими значениями скорости удара (5-10 м/с), при которых снижается эффективность процесса.

На основании осциллограмм давление-скорость были построены графические зависимости амплитуды давления Рт и максимальной скорости движения вершины формуемой лунки V. Начальная скорость заготовке сообщается под действием ударной волны. Установлено, что чем пластичнее металл, тем меньше максимальная скорость движения центральной точки при гидроударной формовке с фиксированным значением энергии удара. Вторичное возрастание скорости указанной точки объясняется действием механизмов повторного нагружения. С

о -0,1

-0,2

-0,3 -0,4

-0,5 -0,5

0,1

к*—

0,2 0,3

Кф

0,4

О—. чГ"""**""

А «»О"™

\Ч

1 . _______ [•V X о

0,05 0,10 0,0,20 0,25 0,30

Л

о

-0,05 -0,10

-0,15 -0,20

-0,25 -0,30

7 * лчЧ 4 т.\

3 & 3 Л

1

1

С4^

V 2 I «Ч. о

Рис. Z. Зависимость предельных степеней формовки от распределения радиальной деформации по образующей формуемого сферического сегмента при различных видах деформации:

а) 0Т4, б) ВТ6; 1-7 номера точек на образующей;

п - *олопная. о - неполная холодная, а - неполная горячая, ® - горячая деформация

увеличением пластичности штампуемого материала вследствие его нагрева амплитуда давления резко падает, а длительность импульса плавно повышается. Однако с приближением состояния материала к динамической рекристаллизации т'и стремительно растет, а изменение Рш во всем диапазоне штамповочных температур несущественно.

Результаты экспериментальных исследований представлены в виде номограмм штампуемости титановых сплавов при гидроударной формовке с нагревом. При разработке технологических процессов эти номограммы позволяют устанавливать сеязь между степенью формовки и температурно-силовыми режимами процесса в зависимости от варианта сочетания значений геометрических характеристик изделия. Безразмерность выбранных геометрических характеристик (относительный диаметр матрицы с!/5с и относительный радиус тороидальной кромки г/Бо) и их зависимость от толщины листа материала позволяют обобщить результаты экспериментов и расширить практические возможности номограмм.

На рис. 3 представлены номограммы штампуемости при гидроударной формовке листового технического титана ВТ1-0 при 20 °С и при температурах предварительного нагрева заготовок 790 °С и 520 °С, являющихся его штамповочными температурами соответственно горячей и неполной горячей деформации. Представленные номограммы дают возможность по заданным геометрическим характеристикам изделия прогнозировать осуществление заданной формовки гидроударным способом и определять потребные энергетические затраты.

В связи с опасностью разрыва образцов по контуру кромки матрицы при малых радиусах ее округления г < 30 и искажением величины диаметра матрицы при больших г > Б0 выделены области неискаженного действия номограмм (ограничены пунктирной линией). Это повышает точность назначения энергосиловых и температурных режимов процесса, а также упрощает проведение сравнительного анализа штампуемости материала при различных температурах штамповки. Так при наложении указанных областей представленных номограмм штампуемости установлено смещение области неискаженного действия с ростом температуры в направлении меньших энергий и более высоких степеней формовки. Аналогичные номограммы построены и для титановых сплавов ВТ14, ВТ6 и 0Т4.

Одним из направлений улучшения штампуемости титановых сплавов при гидроударной формовке является применение многоударной операции с оптимальным сочетанием различных по степени нагрева

ь/а

О 100 200 300 400 ¿00 600 700 800 Дя. 1000

УГ--

Ь/с1

0,5 0

и, *

0,3

0,2

0,1

:..... 'у.1.* мм № -¿и .81

- / 1 ■ А 25

... п, / ц 60 ¡50 4р 3 г 1 0 25 20 » 15 ск

О 109 200 300 400 600 600 700 800 Дк 1000 ¥--

¡/а

0,6

0,5

0,4 0,3

0,2

ОД

¡-г /■—^ !

№ 1р г~7 1 V -20

П Г 8 - А

IV / -иь —1,25

б б 50 40 30 25а 35 0

.0 100 200 300 400 500 600 700 800 Дж 1000 ^Г--

Рис. 3. Номограммы атампуемости технического титана ЕТ1-0 при г ьдро ударно"* формовке с различными температурами:

а - 20, б - 520, в - 790 °С

видов деформации. Поэтому исследования проведены для процесса двухударной формовки с реализацией всех возможных вариантов сочетания холодной, неполной холодной, неполной горячей и горячей деформаций. В результате экспериментов получены графические зависимости общих степеней формовки Ь/й от температуры штамповки при втором ударе Ьц с учетом предварительной степени формовки на первом ударе Ь\сЗх. На основании анализа этих зависимостей установлены максимальные показатели штампуемости при соответствующих степенях нагрева перед 1саждым ударом. Проведение на етором ударе горячей деформации дзет близкие результаты по штампуемости независимо от условий деформации на первом ударе. При зтом наибольший эффект наблюдается при неполной горячей деформации на первом ударе, но показатель штампуемости отличается лишь на 2-5%. Установлено, что оптимальным вариантом двухударной формовки является операция с холодной деформацией на первом ударе и с нагревом до температур горячей деформации перед вторым гидроударным нагруже-нием.

Относительно невысокий прирост показателя штампуемости на втором ударе после штамповки с нагревом на первом можно объяснить снижением числа двойниковых кристаллов, играющих при высокоскоростной деформации титана доминирующую роль. Действительно при обращении к микроструктуре материала видно, что двойникование является определяющим механизмом деформации в отношении улучшения штампуемости. Двойники при холодной деформации размножаются и при дальнейшей (на втором ударе) горячей деформации способствуют снижению разнотолщинности формуемого рельефа. Это подтверждают полученные для двухударной обработки с указанным режимом более равномерные распределения утонения по образующей лунки. Отсутствие необходимости в нагреве перед первым гидроударным нагружением делает рекомендованный вариант более экономичным.

Апробация предложенного сочетания холодной и горячей деформаций проведена при гидроударной формовке тела вращения ступенчатого профиля в два перехода. Для рекомендованного режима характерно кроме достаточно высокой степени формовки лучшее заполнение матрицы. Это показывает величина относительного радиуса смежных поверхностей гс/3, в 3-4 раза меньшая, чем при других вариантах сочетания температурных режимов.

С целью выявления наиболее оптимального вида передающей среды применялись креме жидкости также и гидрэластичные среды с по-

диуретаноЕой и резиновой основами. Как при холодной, так и при горячей ударной формовке установлено, что КфЭ > КфР > , где К,г,э, КфР и К®« - предельные степени формовки при использовании соответственно полиуретановой, резиновой и жидкой передающих сред. Однако если при формовке без нагрева эти показатели штампу-емости отличаются несущественно, то с нагреБом указанный разрыв все больше увеличивается. Наибольшая величина предельной степени формовки была достигнута при использовании эластичной диафрагмы из полиуретана, хотя критическая энергия в зтом случае в 1,3 раза превышала энергию для предельной штамповки жидкой средой. Это связано с улучшенными условиями трения системы инструмент-заготовка, хотя контакт полиуретана с горячей поверхностью заготовки существенно снижает стойкость эластичных диафрагм.

Эксперименты показали высокую эффективность применения поли-уретановых мембран из СКУ-7Л и их хорошую работоспособность при высоких (до 1000 МПа) давлениях удара, что позволяет штамповать детали из высокопрочных титановых сплавов. Резина марта 328G пригодна для штамповки с низкими давлениями (100-200 МПа), так как при более высоких, не выдерживает более одного нагружения. Однако поскольку резиновые диафрагмы дешевле в сравнении с тюлиуре-тановыми, то можно рекомендовать жидко-эластичную среду с резиновой основой для ударной штамповки листовых титановых сплавов малой прочности, таких как ВТ1-0, ВГ4, 0Т4, 0Т4-1, ВТ6С. Высокопрочные титановые сплавы ВТ6, ВТ14, В120 и 0Т4-2 рекомендуется штамповать с полиуретановыми передающими средами или жидкостью.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса гидроударной формовки с нагревом, позволяющая определять оптимальные силовые и температурные режимы процесса. Математическая модель применена также для температурных расчетов зон контакта заготовки и для схемы формовки высокопрочного материала в пластичном пакете.

2. Разработан способ гидроударной формовки с предварительным нагревом заготовок и создана гидроударная установка с -постом злектроконтзктного нагрева,

3. Установлены оптимальные температурные диапазоны гидроударной штамповки с предварительным нагревом, которые составляют для титановых сплавов высокой прочности ВТ14 - 1010-970 °С и ВТ6

- 980-950 °С, средней прочности 0Т4 - 890-850 °С и технического титана 830-780 °С. Предельная степень формовки в указанных температурных диапазонах повышается по сравнению с холодной штамповкой для сплавов ВТ14 в 5-10 раз, BTS в 2-3 раза, 0Т4 в 1,5-2,5 раза и ВТ1-0 в 1,5-2 раза.

4. Исследования параметров импульса давления в рабочей камере и кинематических параметров движения заготовки показали, что при горячей гидроударной штамповке энергосиловые и скоростные характеристики процесса снижаются в 2-3,5 раза. При этом установлена оптимальная область величин относительной массы бойка для горячей формовки «опт - 0,15-0,20.

5. Построены номограммы итампуемости титановых сплавов ВТ6, ВТ14, 0Т4 и ВТ1-0 при гидроударной формовке с нагревом, которые позволяют устанавливать режимы формовки изделия с заданными геометрическими характеристиками.

6. Установлено, что, оптимальным вариантом двухпереходной гидроударной формовки является операция с холодной деформацией на первом и горячей деформацией на втором переходе.

7. Даны рекомендации по выбору способа нагрева и еидэ передающей среды. Для гидроударной листовой штамповки титановых сплавов малой прочности рекомендуется гидрозластичная среда с резиновой основой, а для высокопрочных - полиурегановые передающие среды или жидкости.

8. Разработана инженерная методика проектирования технологических процессов гидроударной формовки с нагревом детачей типа сферического сегмента, кольцевых ребер жесткости и ступенчатого рельефа с назначением знергосиловых и температурных режимов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Глубокий C.B. Математическая модель формирования соединения при импульсном нагружении // Материалы XXX НТК вузов Прибалтики, БССР и Молдавии. - Таллинн, 1986. - Т.2 - С.132.

2. Глубокий C.B. К расчету касательных напряжений в"зоне контакта пластин при импульсном нагружении // Материалы XXXI НТК "Студенческая наука - производству". Механика. - Кишинев, 1987. -С. 14.

3. Глубокий C.B. Распределение температур при высокоскоростном деформировании // Материалы ХХХП НТК вузов Прибалтики, БССР и Молдавии. - Рига 1988. - Т.2. - С.96.

4. A.c. N 1718434 (СССР). Устройство для гидродинамической

штамповки / А. Л.Скрипниченко, В.С.Петраковский, С. В. Глубокий, В.В.Дорожей. - 1990.

5. Петраковский B.C., Глубокий C.B., Дорожей В.В. Влияние нагрева на шташуемость труднодеформируемых сплавов при гидроударной формовке // Импульсная обработка металлов. - Харьков, 1990. - С.62.

6. Скрипниченко А.Л., Петраковский B.C., Глубокий C.B. и др. Экспериментальное исследование пластического деформирования и разрушения спецсталей в условиях гидроударного двухосного растяжения и создание машины импульсной гидроударной для их испытаний: Отчет по НИР / БПИ. - N г.р. 01.880002611. - Минск, 1989. - 135 с.

7. Скрипниченко А.Л., Петраковский B.C., Глубокий C.B. и др. Разработка и внедрение технологии ударной штамповки тонколистовых материалов жидкой и эластичной средой: Отчет по НИР / БПИ. -N г.р. 01.88.0002610. - Минск, 1990. - 111 с.

8. Скрипниченко А.Л., Петраковский B.C., Глубокий C.B. и др. Комплексное исследование обработки материалов с целью установления оптимальной взаимосвязи между поведением материала и режимами взаимодействия, основанными на использовании энергии удара и магнитного поля: Отчет по НИР / БПИ. - M г.р. 0186110405. - Минск, 1990. - 248 с.