ТОП 10:

Обработка давлением в состоянии сверхпластичности



 

Состояние сверхпластичности было впервые обнаружено в металличес-ких сплавах и вначале нашло свое применение, в первую очередь в пяти областях металлообработки [9, 14]:

· интенсификация формообразования изделий обработкой давлением;

· сварка металлов давлением в твердой фазе;

· получение биметаллов и композитных материалов;

· повышение служебных свойств труднодеформируемых, литейных, жаропрочных, конструкционных, инструментальных, коррозионностойких сталей и сплавов;

· термическая и химико-термическая обработка.

В дальнейшем выяснилось, что многие новые материалы (см. класси-фикацию в гл.1) способны к формоизменению лишь по режимам сверхплас-тической или изотермической деформации.

Кроме того, состояние сверхпластичности послужило основой для создания новых процессов ОМД: сверхпластической формовки листовых заготовок, бесфильерного волочения проволоки, штамповки на термоупругих прессах [6, 7].

Сверхпластическая формовка (СПФ) – это процесс изготовления по-лых изделий из листовых заготовок (рис.2.2), герметично зажатых по фланцу, действием разности давлений газа, создаваемой по обе стороны заготовки. К характерным особенностям процесс относятся отсутствие динамических на-грузок, а также формообразование изделия вследствие утонения свободных (незажатых) участков заготовки.

Листовая заготовка 2 из сверхпластичного материала жестко зажимает-ся между прижимной крышкой 4 и матрицей 1 и нагревается вместе со штам-пом до температуры сверхпластичности. Затем в полость крышки 4 подают газ (аргон, углекислый газ, сжатый воздух) под давлением 0,1…0,5 МПа. Под действием этого давления заготовка 2 выпучивается в полость матрицы 1 в виде сферического сегмента, а затем заполняет (при наличии) угловые полости матрицы 1.

СПФ листовых заготовок проходит в три стадии:

· первая стадия – мгновенная потеря устойчивости деформируемой заготовки на высоту ( – радиус деформируемой части заготовки);

· установившаяся стадия СПФ: свободная выдувка в полость матрицы, скорость деформации на этой стадии уменьшается от 10-4 до 10-2 с-1);

третья стадия – заполнение угловых зон матрицы, при котором необходимо увеличение давления формовки для производительности процесса.

СПФ является эффективным способом ОМД как для выдувного формования новых термопластов, так и для формообразования изделий из новых жаропрочных, труднодеформируемых сплавов.

Преимущества СПФ:

· низкие усилия формовки позволяют использовать либо оборудование меньшей мощности, либо формовать изделия бóльших размеров; повышается долговечность штампов, появляются возможности использования дешевых материалов для штампов;

· очень высокая пластичность заготовок позволяет изготавливать детали сложной формы за меньшее число переходов, формовать изделия монолитными, без сварки его частей;

· отсутствие остаточных напряжений стабилизирует точность размеров, повышает коррозионную стойкость изделий, исключает их упругое последействие;

· практически полное исчезновение анизотропии обеспечивает повышенную ударную вязкость, усталостную прочность в поперечном сечении, отсутствие фестонов;

· сохранение мелкозернистой равноосной структуры обусловливает высокое качество поверхности и равномерность свойств по толщине изделий.

Недостатки СПФ:

· малые скорости деформации, что обусловливает низкую производительность процесса;

· повышенные температуры обработки, приводящие к окислению поверхности и снижению стойкости штампов;

· большая разнотолщинность стенок вдоль контура изделий; к примеру, толщина стенки в полюсе полусферы колеблется в пределах 40-70 % исход-ной толщины заготовки.

 

1 – матрица; 2 – заготовка; 3 – задвижка; 4 – прижимная крышка

Рисунок 2.2 – Штамп для СПФ титановых полусфер

 

Способы устранения разнотолщинности изделий при СПФ:

1. Пневмомеханическая формовка, как правило, в две стадии. На первой стадии жестким пуансоном предварительно вытягивают полуфабрикат с максимальным утонением его периферийных зон. На второй стадии давлением газа формуют изделие с преимущественным утонением центральных зон. В результате распределение толщины в изделии близко к равномерному.

2. СПФ в неравномерном температурном поле.

2.1. Фланец заготовки нагревают до верхнего температурного предела сверхпластичности, матрица в донной части имеет температуру нижнего пре-дела сверхпластичности. Центральные зоны заготовки при СПФ первыми по-падают в поле низких температур и замедляют свою деформацию.

2.2. На центральные зоны заготовки наносят сублиматы или деструкты. При нагреве веществ-сублиматов они возгоняются с поглощением теплоты. В результате центр заготовки захоложен, и деформация перераспределяется на периферийные зоны заготовки. Деструкты, выделяющие тепло при разложении, наносят на периферийные части заготовки, а штамп с заготовкой греют до нижнего предела температуры сверхпластичности.

3. Изменение структуры заготовки. Например, для СПФ полусферы предварительно нагревают центр заготовки, огрубляют ее структуру (выращивают зерно), затем подвергают формовке. Зоны заготовки с крупным зерном деформируются в меньшей степени, что обеспечивает сравнительно равномерную толщину полусферы.

4. СПФ заготовки переменной толщины. Предварительно штампуют заготовку с набором металла по толщине в местах, максимально утоняемых при дальнейшей СПФ.

Давление при СПФ рассчитывают по формуле:

 

,

где – коэффициент, учитывающий неравномерность утонения;

- исходная толщина заготовки.

Расчет исходной заготовки:

· по заданной минимально допустимой толщине детали определяют исходную толщину заготовки с помощью табличных формул, связывающих относительное утонение с относительной высотой детали;

· диаметр заготовки рассчитывается по формуле:

·

,

где – припуск на жесткий зажим заготовки;

– радиус скругления перетяжной кромки матрицы.

СПФ является единственным способом изготовления шар-баллонов из новых труднодеформируемых титановых сплавов (рис.2.3). Для этих целей две заготовки сваривают по фланцу. В одну из них вваривают штуцер. После нагрева до температуры сверхпластичности через штуцер в полость между заготовками подают давление газа и формуют заготовки в противоположные стороны с образованием шар-баллона. Фланец заготовок также участвует в деформации, в связи с этим разнотолщинность стенок шар-баллона небольшая. Вместо штуцера в полость между заготовками можно поместить сублимат и формовать шар-баллон давлением сублимата при его нагреве и возгонке.

 

 

 

Рисунок 2.3 – Шар-баллон, изготовленный сверхпластической формовкой из сварных по контуру заготовок

 

В сочетании с диффузионной сваркой СПФ является уникальным процессом изготовления полых панелей и компрессорных лопаток с внутренним оребрением из титановых сплавов (рис.2.4). Масса таких изделий ниже, чем монолитных, а несущая способность выше.

 

 

Рисунок 2.4 – Полая оребренная панель из Ti-сплава, изготовленная сверхпластической формовкой с диффузионной сваркой

 

Две предварительно отформованные заготовки сваривают по фланцу, между ними укладывают и приваривают третью. Туда же укладывают специальные перегородки. Затем осуществляют СПФ заготовки в полости между перегородками. Одновременно происходит диффузионная сварка заготовок (время СПФ сопоставимо со временем диффузионной сварки заготовок).

Штамповка на термоупругих прессах (ШТУП) [7]. Термоупругий пресс – машина для обработки металлов давлением, создающая деформирующую силу в результате изменения размеров ее силовых элементов, происходящего под воздействием колебаний температуры.

Типовой техпроцесс включает следующие операции: нагрев контейнера (рис.2.5); сборка холодной заготовки и пуансона с контейнером; нагрев заготовки и пуансона до расчетной температуры; охлаждение пуансона; извлечение пуансона и заготовки из контейнера; отделение заготовки от пуансона.

Пуансон, состоящий из стержня 1 и секторов 2, является основным рабочим инструментом, изменение температуры которого при нагреве создает силовое воздействие на заготовку. Контейнер 3 является массивным жестким телом, воспринимающим возникающую нагрузку. Температуру его во время всего цикла поддерживают постоянной. Подвод тепловой энергии обеспечивают встроенные ТЭНы 7. Потери теплоты предотвращают теплоизоляционным кожухом 11.

 
 

 

 


 

 

Рисунок 2.5 – Устройство для штамповки на термоупругом прессе

 

Запорное устройство, выполненной в виде байонетного кольца 5, предотвращает осевое перемещение пуансона вместе с заготовкой. Система водоохлаждения 6 обеспечивает интенсивное охлаждение пуансона после окончания этапа деформирования, уменьшение его диаметра и, как следствие этого, ликвидацию созданного натяга (слив воды через трубу 9).

Все узлы конструкции располагаются на опорной раме 8. Для регистрации температуры имеется набор термоэлектрических преобразователей 10, установленных в различных зонах пуансона, контейнера и заготовки 4.

ШТУП целесообразно применять для изготовления деталей типа плоских и криволинейных панелей и замкнутых оболочек с параллельными или ортогональными ребрами. Повышенные температуры и низкие скорости перемещения силовых узлов пресса создают предпосылки для эффективной ре-ализации состояния сверхпластичности деформируемого материала.

Для ШТУП деталей из сверхпластичных алюминиевых сплавов АМг6, 1420, ВАД-23 необходимо давление 30…150 МПа при температуре окончания деформирования 400…500 0С и скорости деформации с-1. При этом продолжительность штамповки 103…105 с.

 







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-05; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.215.182.81 (0.005 с.)