Прогрессивная технология производства алюминиевых авиационных панелей сложной форы
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Жаров Максим Владимирович
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 10
Дополнительно
Уровень образования:
Аспирантура
Артикул: 618398.01.99
Тематика:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 48 УДК 621.735, 519.711.3 DOI 10.12737/8142 ПРОГРЕССИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ АВИАЦИОННЫХ ПАНЕЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ Жаров Максим Владимирович доцент, к.т.н. ФГБОУ ВПО "МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского" 121552, г. Москва, Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53. Е-mail: tomd@mati.ru Исследуются элементы технологии производства авиационных панелей из алюминиевых сплавов посредством изотермической штамповки. Рассматриваются вопросы получения бездефектных панелей с применением определенных температур но-скоростных режимов деформирования. Одной из наиболее сложных проблем, которые стоят перед произво дителями авиационно-космической техники, является проблема обеспече ния надлежащего качества изделий. Это в первую очередь относится к де талям ответственного назначения. Деталь ответственного назначения обеспечивает своим качеством не только удовлетворение каких-либо экс плуатационных характеристик детали, но и в большой степени отвечает за надежность и долговечность всего авиационного или космического аппа рата. Это утверждение справедливо и применительно к производству авиа ционных оребренных панелей, которые используются в качестве топлив ных баков (в том, числе и вмонтированных в крыло авиационных аппара тов), в качестве силовых элементов, в качестве элементов фюзеляжа ма шины и т.д. Современные руководящие материалы (ГОСТы, ОСТы, ТУ, технологические рекомендации и т.д. [1,2]) рассматривают процесс полу чения оребренных панелей из алюминиевых, титановых и магниевых спла вов, а также из ряда специальных сталей, только в том случае, когда сред
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением
49
няя толщина ребра меньше или равна толщине полотна изделия с учетом
припуска на механическую обработку на зеркальной стороне авиационного
полотна панели или полотна авиационной обечайки. Согласно этим стан
дартам панели с толщиной ребра больше толщины полотна панели не
производятся методами горячей объемной штамповки. Изготовление пане
лей сложной формы с толщиной ребра более толщины полотна панели ре
комендуется вести с применением других металлообрабатывающих мето
дов: обработкой металлов резанием, электрохимическим фрезерованием и
т.д. Однако использование этих методов в промышленных масштабах со
провождается значительными отходами металла. Изготовление панелей с
продольно-поперечным ("вафельным") или лучевым оребрением метода
ми прессования невозможно (рис.1).
Рис.1. Примеры фрагментов авиационных панелей и обечаек с
продольно-поперечным оребрением.
Довольно часто при изготовлении сложнооребренных панелей изо
термической штамповкой, термическим прессованием или простой горя
чей объемной штамповкой в теле штамповки наблюдается два вида дефек
тов: утяжина на зеркальной стороне полотна панели и зажим в средней
зоне ребра панели. Для изделий ответственного назначения и деталей, ра
ботающих под нагрузкой, появление таких дефектов недопустимо, так как
наличие дефекта в виде утяжины может оказаться концентратором напря
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 50 жений, что может привести к появлению трещины в теле изделия и разру шению самого изделия. Использование технологического процесса, в ко тором толщина полотна панели значительно увеличивается с тем, чтобы после штамповки механической обработкой удалить припуск на механиче скую обработку с созданными в нем утяжинами, признается нецелесооб разным, так как в этом случае значительно увеличивается отход металла в стружку, что недопустимо на современном этапе, когда стоимость мате риала составляет значительную долю в себестоимости авиационной пане ли. Таким образом, борьба с дефектами формы, и в первую очередь борьба с образованием утяжин в подреберной части на зеркальной стороне панели или обечайки (рис.2), остается одной из важных проблем в технологии по лучения авиационных панелей или обечаек с толщиной ребра больше толщины полотна панели. Рис. 2. Дефекты формы (в виде утяжин) штампованных авиационных обечаек с продольно-поперечным оребрением.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 51 В целях определения характера течения металла при изотермической штамповке авиационных панелей из алюминиевых сплавов АМг6 и 01420 были проведены математическое моделирование процесса течения металла и реальные эксперименты по получению бездефектных изделий. Матема тическое моделирование проводилось с применением отечественной при кладной программы математического моделирования процессов обработки металлов давлением "Q-Form", реализующей метод конечных элементов. На основе математического моделирования было установлено влияние температурно-скоростных режимов на характер течения металла. При математическом моделировании течения металла в условиях изотермической штамповки ребристых панелей было установлено, что вы тесняемый из зон застоя в центральную зону металл испытывает довольно большие сжимающие напряжения, вследствие чего в области отсутствия подпора со стороны штамповой оснастки возможна потеря устойчивости. Данное явление довольно широко наблюдается при моделировании изо термической штамповки панелей с относительно низкими и толстыми реб рами, в условиях течения металла с двух сторон. На основе математического моделирования характера течения ме талла при формировании ребра двухсторонним потоком металла были установлены три возможных механизма формирования ребра (рис. 3): • Механизм формирования ребра панели выдавливанием металла; • Механизм формирования ребра, сопровождаемого отрывом ме талла от подреберной стороны штампа с образованием утяжины в подреберной части готового изделия; • Механизм формирования ребра двойной потерей устойчивости. Причем переход от одного механизма формирования ребра, сопро вождаемого получением бездефектного изделия, к другому механизму, в результате которого получается неисправляемый брак, в большой степени
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 52 зависти от температурно-скоростных условий деформирования и толщины исходной плоской заготовки. Рис. 3. Классификация возможных механизмов формирования ребра. При получении относительно низких ребер достаточно большой толщины толщина исходной плоской заготовки может быть достаточно маленькой для потери устойчивости материала в процессе деформирова ния. Естественно, что данное положение справедливо для определенных температурно-скоростных параметров деформирования. При уменьшении температуры деформации уменьшается пластичность и увеличивается устойчивость материала (жесткость полосы), соответственно потеря устойчивости и образование складки наблюдается при больших значениях ВS (отношения В ребра / S плоской заготовки). С другой стороны, увеличение ско Возможные схемы формирования ребра панели Формирование ребра панели выдавливанием без образования дефектов Формирование ребра происходит с двойной потерей устойчивости с образованием утяжины и зажима Формирование ребра происходит с потерей устойчивости с образованием утяжины
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 53 рости деформирования не позволяет рассеяться добавочному теплу от тем пературного эффекта деформации и таким образом увеличивает темпера туру в очаге деформации, в результате приводя к потере устойчивости при меньших значениях ВS . Например, данное явление наблюдается при моделировании изотер мической штамповки панелей с относительно низкими и толстыми ребра ми, в условиях симметричного течения металла с двух сторон, при отно шении (для выбранных алюминиевых сплавов) при температуре деформа ции Тдеформ. = 4000С и скорости движения деформирующего инструмента V пресс = 0,5 мм/с при величине ВS > 1,9. При деформации выбранных алюминиевых сплавов при Тдеформ. = 4000С и V пресс = 3,5 мм/с потеря устойчивости, в случае симметричного те чения, наблюдается уже при ВS = 1,65. В случае достаточно большой толщины исходной плоской заготовки и/или небольшой скорости движения деформирующего инструмента фор мирование ребер производится выдавливанием материала из периферий ных зон в зону интенсивной пластической деформации. Процесс протекает довольно стабильно. Отрыва металла от поверхности инструмента в ре зультате потери устойчивости не происходит. Существенным отличием характера течения металла в случае асимметричного течения является смещение формирующегося ребра к одной из вертикальных поверхностей полости штампа вследствие повышенной интенсивности одного из пото ков металла, вытесняемого из периферийных зон (рис. 4). Характер течения металла и, следовательно, появление или отсут ствие дефектов в довольно большой степени зависит от скорости дефор мации, температуры и коэффициента асимметрии. В ходе математического моделирования были установлены режимы деформирования, которые обеспечивают получение бездефектного изделия.
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"
54
а) б)
Рис. 4. Механизм формирования ребра выдавливанием (при прочих
равных условиях): а) характер течения металла при Vпресс. = 2 мм/с;
б) характер течения металла при Vпресс. = 0,01мм/с.
Для подтверждения результатов математического моделирования
проводились эксперименты по изготовлению бездефектных элементарных
ячеек авиационных панелей из алюминиевых сплавав АМг6 и 01420 про
цессами изотермической штамповки. Температура деформирования изме
нялась в диапазоне 320 - 400 0С, скорость движения инструмента варьиро
валась в диапазоне 0,05-3,5 мм/сек. Штамповка производилась в термо
компрессионной установке с использованием специально изготовленной
оснастки, представленной на рис. 5. Образцы подготавливались следую
щим образом: сначала из горячекатаной полосы вырезались прямоуголь
ные заготовки, а затем из заготовок механической обработкой изготавли
вались круглые образцы стандартного размера, обеспечивающего свобод
ную установку исследуемого образца в матрицу (рис.6). Далее оснастка
вместе образцами помещалась в термокомпрессионную установку и нагре
валась до необходимой температуры, а затем начинался процесс деформа
ции по заданным температурно-скоростным режимам. Ряд режимов де
формирования был запрограммирован на получение изделий с дефектами,
ряд режимов – на получение бездефектных изделий. Полученные резуль
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 55 таты показали высокую сходимость результатов математического модели рования и реального эксперимента. б) a) Рис. 5. Специальная оснастка для проведения экспериментов по изотермическому деформи рованию элементарных ячеек панелей: а) элементы оснастки; б) оснастка в сборе.
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"
56
а) б)
Рис. 6. Исходные заготовки (а) и образцы для деформирования (б) из
алюминиевого сплава 01420.
На рис.7 представлены полученные изделия как без дефектов, так и с
наличием ярко выраженных дефектов формы - утяжины на гладкой по
верхности панели. Для определения характера течения металла из отштам
пованных образцов изготавливались темплеты для проведения исследова
ния микроструктуры материла в очаге пластической деформации.
Рис. 7. Деформированные образцы из алюминиевых сплавов
АМг6 и 01420.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 57 Таким образом, на основе результатов математического моделирова ния и экспериментов по реальной изотермической штамповке удалось установить, что процесс изотермической штамповки сложнооребренных деталей рекомендуется проводить при низких скоростях движения ин струмента (0,04-0,1 мм/с). При этом достигается более равномерное тече ние металла при формировании ребра и, кроме того, рассеивается допол нительное тепло от теплового эффекта, не позволяя перегреваться металлу в очаге деформации. При определении толщины исходной заготовки ос новным фактором остается равенство объемов заготовки и штампованного изделия. Однако необходимо учитывать тот факт, что при отношении тол щины ребра к толщине заготовки В ребра / S плоской заготовки более 1,65-1,9 воз можно образование дефектов типа зажима на боковой поверхности ребра, зажима в центральной части ребра и утяжины. Причем величина показателя В ребра / S плоской заготовки, при котором начинается образование дефектов, крайне чувствительна к скорости процесса: при уменьшении скорости движения инструмента возможно получение бездефектного изде лия при меньшей толщине заготовки. Библиографический список 1./ РТМ 1.4.1644 – 86. Изотермическая объемная штамповка алюминиевых и магниевых сплавов. Руководящий технический материал. М.: НИАТ, 1987. – 134 с. 2./ Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет : К.В. Фролов и др. М.: Машиностроение. Т. III-2. Технологии заготовительных производств / И.Л. Акаро, Р.А. Андриевский, А.Ф. Аржанов и др.; под общ. ред. В.Ф. Ма нуйлова. 1996. – 736 с. 3. Ковка и штамповка цветных металлов. Справочник / Корнеев Н.И., Аржаков В.М., Бармашенко Б.Г. и др.– М.: Машиностроение, 1971.– 232 с.