Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧЕК ИЗ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении различных емкостей, днищ из листовых материалов сверхпластической формовкой.

Известны традиционные способы (Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С., Соболев Я.А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов.- М., Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2003. - 427 с.) изготовления оболочек емкостей, например полусферических днищ из листовых материалов многопереходной вытяжкой с промежуточными термообработками или молотовой штамповкой в подкладных штампах.

Недостатком известного способа является то, что изделия получаются с низкой геометрической точностью, технологические процессы отличаются высокой трудоемкостью и низким КИМ.

Известны новые технологические процессы газовой формовки в режиме кратковременной ползучести, которые снижают трудоемкость в 2 раза, уменьшают металлоемкость до 30% и увеличивают КИМ с 0,2 до 0,9 по сравнению с традиционными технологиями. Недостатком известных способов газовой формовки является существенная разнотолщинность получаемых изделий по образующей, которая влияет на их прочностные свойства. Для устранения разнотолщинности после штамповки применяют химическое фрезерование.

Наиболее близким способом по техническому осуществлению является способ изготовления оболочек из листовых заготовок газовой формовкой (патент RU 2169628, МПК⁷ B21D 26/02, С10М 103/02, B21J 3/00, опуб. 27.06.2001). В известном способе формование листа из высокопластичного алюминиевого или титанового сплава включает в себя нагрев листа до температуры высокопластичного формования, нанесение смазки, разделяющего реагента, включающего гидроксид магния или смесь гидроксида магния и нитрида бора, на по меньшей мере одну из формообразующих поверхностей штампа и одну сторону листа, укладку листа в штамп, приложение давления текучей среды к другой стороне листа для его деформирования при скорости высокопластичного растяжения в соответствии с конфигурацией штампа, удаление деформированного листа из штампа.

Недостатком наиболее близкого способа является значительная разнотолщинность стенок изделия по образующей, что сказывается на трудоемкости и КИМ.

Известно устройство (патент RU 2021056, МПК⁵ B21D 26/02, опуб. 15.10.1994), состоящее из матрицы, крышки, нагревателя, регулятора давления газа, узла контроля окончания процесса формообразования.

Недостатком известного устройства является возможность формоизменения только одной заготовки и существенная разнотолщинность стенки по образующей до 40% и более.

Известно устройство, принимаемое за прототип, для формообразования листовых заготовок в режиме сверхпластичности (Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С, Соболев Я.А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов. - М., Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2003. - 427 с.), имеющее блок, в котором помещены две матрицы, нагревательные элементы, клиновые зажимы, штуцеры.

Недостатком устройства, которое принято за прототип, является возможность формоизменения только одной заготовки и получение емкости с существенной разнотолщинностью стенки по образующей до 40% и более, а также низкая производительность и качество.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества за счет уменьшения разнотолщинности и повышение производительности изготовления оболочек из листовых заготовок.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления оболочки из листовых заготовок устанавливают в штамп матрицу с глухой рабочей полостью, наносят на ее поверхность смазку с пониженным коэффициентом трения, закрепляют на упомянутой матрице листовую заготовку с возможностью радиального перемещения фланца, устанавливают на упомянутую матрицу с заготовкой вторую кольцевую матрицу со сквозной полостью, закрепляют на кольцевой матрице вторую листовую заготовку с герметичным защемлением по краям, наносят на поверхность заготовок смазку с высоким коэффициентом трения типа гидроксида магния, причем на матрицу с глухой полостью устанавливают заготовку с диаметром больше диаметра второй заготовки, нагревают штамп с листовыми заготовками до температуры высокопластичного формования, подают избыточное давления газа в полость штампа к заготовке, закрепленной в матрице со сквозной полостью, и одновременно формоизменяют две заготовки до момента их соприкосновения с рабочими поверхностями матриц и получения одной готовой оболочки и одного полуфабриката с глубиной формования, равной толщине матрицы со сквозной полостью, и фланцем диаметром, равным диаметру второй заготовки, удаляют отформованную оболочку, полуфабрикат и матрицу со сквозной полостью, устанавливают на матрицу с глухой полостью плоскую листовую заготовку, покрытую смазкой с пониженным коэффициентом трения, закрепляют на матрице со сквозной полостью полуфабрикат с герметичным защемлением его фланца, осуществляют формообразование с подачей избыточного давления к полуфабрикату до момента полного соприкосновения с рабочими поверхностями матриц и получением одной готовой оболочки и одного полуфабриката.

Для осуществления способа применяется устройство для изготовления оболочки из листовых заготовок, состоящее из двух матриц, крышки, нагревателя, штуцеров, трубопроводов с регулятором давления газа, узла контроля процесса формообразования, причем одна матрица выполнена кольцевой со сквозной полостью, рабочая поверхность которой соответствует размерам готовой оболочки, а толщина равна половине высоты готовой оболочки, причем на торцевой поверхности ее основания выполнены газоотводящие канавки, а другая матрица имеет глухую полость, глубина которой равна толщине кольцевой матрицы, а рабочая поверхность выполнена с размерами, обеспечивающими получение полуфабриката оболочки с внутренней поверхностью, соответствующей готовой оболочке по внешнему контуру.

На фиг. 1-3 показаны этапы изготовления оболочек из листовых плоских заготовок. На фиг. 1 исходное положение двух заготовок с жестким защемлением одной заготовки и закреплением другой с возможностью радиального перемещения фланца в штампе. На фиг. 2 - этап окончательного формоизменения заготовки, закрепленной на матрице со сквозной полостью, и предварительное формоизменение заготовки с радиальным перемещением фланца, закрепленной на матрице с глухой полостью, по рабочей поверхности этой матрицы. На фиг. 3 - этап одновременного формообразования полуфабриката и плоской заготовки. На фиг. 4 приведена конструктивная схема устройства с матрицами 1 и 3. На фиг. 5 показана расчетная схема для определения размеров рабочей поверхности матрицы с глухой полостью.

Способ осуществляется следующим образом: на первом этапе (фиг. 1) в штамп последовательно устанавливают матрицу 1 с глухой рабочей полостью, смазывают ее поверхность, например, нитридом бора, на матрице 1 закрепляют плоскую заготовку 2 с возможностью радиального перемещения фланца, поверхность заготовки смазывают, например, гидроксидом магния с высоким коэффициентом трения, на матрицу 1 и плоскую заготовку 2 устанавливают вторую кольцевую матрицу 3 со сквозной полостью, газоотводящими каналами 7 и толщиной, равной половине радиуса готовой оболочки. На вторую кольцевую матрицу 3 укладывают вторую плоскую заготовку 4, смазанную гидроксидом магния. Плоскую заготовку 4 герметично защемляют с помощью крышки 5 и зажимных устройств. Штамп и заготовки нагревают до требуемой температуры, после чего на втором этапе (фиг. 2) происходит совместное формоизменение двух заготовок 2 и 4. Причем избыточным давлением р производят формоизменение плоской заготовки 4. В процессе ее формоизменения происходит контактирование с заготовкой 2, в результате этого осуществляют ее деформирование с радиальным перемещением фланца. При этом реализуют схему напряженно-деформированного состояния, характерного для операции вытяжки. При такой схеме нагружения значения меридиональных напряжений значительно меньше, чем имеют место при формовке избыточным давлением с защемлением края. Плоская заготовка 4 получает окончательные размеры и форму готовой оболочки, а плоская заготовка 2 форму полуфабриката с размерами купола по высоте, равной толщине второй кольцевой матрицы 3, причем ее внутренняя поверхность имеет форму и размеры готовой оболочки, а диаметр фланца становится равным диаметру плоской заготовки 4. Формоизменение плоской заготовки 2 операцией вытяжки способствует повышению равномерности толщины изделия по образующей, так как величина радиальных растягивающих напряжений существенно меньше, чем при формообразовании с двухосным растяжением. После остывания штамп разбирают, кольцевую матрицу 3, готовую оболочку из плоской заготовки 4 и полуфабрикат из плоской заготовки 2 удаляют. На третьем этапе (фиг. 3) матрицу 1 смазывают нитридом бора, укладывают новую плоскую заготовку 2 с возможностью радиального перемещения фланца, которую покрывают смазкой, например, из гидроксида магния, на заготовку устанавливают кольцевую матрицу 3, закрепляют с герметичным защемлением фланца предварительно отформованный полуфабрикат из плоской заготовки 4 с высотой купола, равной толщине матрицы 3, и после нагрева до требуемой температуры осуществляют процесс формоизменения избыточным давлением газа р через штуцер 6. При этом в результате формоизменения полуфабриката осуществляют его контакт с плоской заготовкой 2, которую формоизменяют с радиальным перемещением фланца. Нанесение смазки с высоким коэффициентом трения уменьшает скорости деформаций в меридиональном и окружном направлениях, а также по толщине стенки. Смазка является также изолирующим слоем, препятствующим диффузионной сварке двух заготовок.

Устройство для реализации способа содержит две матрицы, причем матрица 1 имеет глухую полость, выполненную по размерам, которые обеспечивают получение полуфабриката оболочки с внутренней поверхностью, которая соответствует внешнему контуру готовой оболочки. Кольцевая матрица 3 со сквозной полостью выполнена с рабочей поверхностью, соответствующей размеру готовой оболочки. Толщина кольцевой матрицы 3 равна половине высоты готовой оболочки. На торцевой поверхности основания матрицы 3 выполнены газоотводящие каналы 7. Для подвода газа в крышке 5 установлен штуцер 6. На глухую матрицу 1 устанавливают заготовку 2, а на кольцевую матрицу 3 устанавливают заготовку 4.

Пример реализации способа.

Из титанового сплава ВТ23 с толщиной листа h₀=3,2 мм необходимо изготовить полусферическую оболочку с радиусом по наружной поверхности R₀=287 мм. При использовании известного способа газовой формовки куполообразных оболочек формоизменение осуществляют при температуре нагрева заготовки и штампа 860°С под действием избыточного давления газа р, изменяющегося по закону (Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С, Соболев Я.А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов. - М., Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2003. - 427 с.):

где р₀, а _р, n_р - параметры нагружения, t - время.

При формообразовании с защемлением плоской заготовки 4 ее размер по диаметру: D₀=575 мм.

Затраты времени для формоизменения полусферической оболочки радиусом R₀=287 мм составили: время нагрева в аргоне 200 мин; смыкание штампа, подача аргона и формообразование под давлением 40 мин. В результате формоизменения изменилась толщина стенки оболочки. В месте закрепления толщина h_k=2,46 мм, а в вершине h_c=0,81 мм. Показатель разнотолщинности η=100(h_k-h_c)/h_k=67%.

Время охлаждения и удаления готовой оболочки составило 200 мин.

Общие затраты времени 440 мин.

При формообразовании одновременно двух плоских заготовок по предлагаемому способу под действием избыточного газа, изменяющегося по аналогичному закону с использованием смазки, состоящей из гидроксида магния, имеющей высокий коэффициент трения, избыточное давление р прикладывалось для формоизменения плоской заготовки 4 в кольцевую матрицу 3 (фиг. 2). Время до соприкосновения купола плоской заготовки 4 с поверхностью плоской заготовки 2 составило 20 мин. Далее в течение 13 мин происходило совместное формообразование двух заготовок, причем плоская заготовка 4 формоизменялась под действием избыточного давления по схеме двухосного напряженного состояния, а заготовка 2 деформировалась по схеме напряженно-деформированного состояния, характерного для операции вытяжки. Была получена первая готовая оболочка с толщиной стенки в месте закрепления h_k=2,52 мм, а в вершине h_c=l,69 мм. Показатель разнотолщинности η=100(h_k-h_c)/h_k=33%. Время на формоизменение плоской заготовки 2 также составило 40 мин. На последующей операции использовался полуфабрикат и другая плоская заготовка (фиг. 3). После их закрепления в устройстве и нагрева до заданной температуры формоизменялись одновременно две заготовки, одна под действием избыточного давления р, действующего на плоскую заготовку 4, а другая в результате контактирования плоской заготовки 4 с плоской заготовкой 2. При этом происходило перемещение фланца заготовки 2 в радиальном направлении. Через 13 мин подача избыточного давления р прекращалась. После остывания штампа готовая оболочка и полуфабрикат удалялись из штампа. Время формообразования одновременно полуфабриката и плоской заготовки уменьшилось благодаря тому, что формоизменение полуфабриката производилось с высотой купола, равной половине радиуса полусферы готовой оболочки. В результате деформирования заготовки по схеме вытяжки толщина стенки в месте закрепления фланца незначительно увеличивалась до 3,25…3,30 мм, а в вершине купола уменьшалась до 2,90…3,0 мм. При последующем формоизменении этого полуфабриката с герметичным защемлением края по схеме двухосного напряженного состояния толщина стенки в месте защемления уменьшилась до 3,10…2.90 мм, а в вершине купола до 2,30…2,20 мм. Показатель разнотолщинности составил 23…25%.

Способ может быть использован также при изготовлении эллиптических и другой формы оболочек с такой же последовательностью формоизменения двух плоских заготовок.

Для осуществления способа используется устройство (фиг. 4), в котором кольцевая матрица 3 со сквозной полостью выполнена толщиной, равной половине высоты готовой оболочки. Например, для изготовления сферической оболочки высота кольцевой матрицы 3 равняется половине радиуса сферической оболочки. Рабочая поверхность матрицы 3 изготавливается по радиусу R₂, который равен радиусу полусферической оболочки по наружной поверхности (фиг. 5). Рабочая поверхность глухой полости матрицы 1 выполняется с другим радиусом R₁, проведенным из центра O₁, который должен обеспечить получение полуфабриката с внутренней поверхностью, имеющей радиус готовой оболочки. Размер радиуса R₁ зависит от толщин стенки готовой оболочки в месте закрепления h_k и в вершине h_c. На фиг. 5 приведена схема графического определения радиуса R₁. Для этого через середины сторон АБ или БС проводятся перпендикуляры до пересечения с осью симметрии. Радиус первой матрицы также определяется по зависимости:

где β=sin^-10,7071(R₂+h_k)/N

Радиус R₁ проводится через точки А, Б, С из центра O₁ (фиг. 5).

В рассматриваемом примере был получен полуфабрикат, у которого в месте закрепления толщина стенки h_k=2,52 мм и в вершине h_c=1,69 мм.

По результатам расчетов получены следующие значения:

N=221,275; β=67,7°; R₁=291,56 мм, который соединяет точки А, Б, и С контура рабочей поверхности матрицы 1 из центра в точке О₁, которая находится на расстоянии (фиг. 5) от точки О₂ равном 291,56-288,69=2,87 мм. В этом случае внутренняя поверхность полуфабриката будет описываться радиусом R₂ и обеспечивать требуемую точность и форму готовой оболочки при окончании формоизменения заготовки 4, закрепленной на матрице 3.

Диаметр заготовки 4 (фиг. 1) должен обеспечить ее герметичное защемление, а диаметр заготовки 2 рассчитывается с учетом того, чтобы в результате ее деформирования с радиальным перемещением фланца наружный диаметр полуфабриката стал равным наружному диаметру заготовки 4 (фиг. 2).

В рассматриваемом примере для получения полусферы радиусом R₀=287 мм используется заготовка 4 диаметром D=735 мм (фиг. 6). Для определения диаметра заготовки 2 необходимо увеличить размеры заготовки 4 на величину, равную разности площади нижнего шарового слоя (фиг. 6) и площади круга, находящегося в основании этого шарового слоя. Допускаем, что отрезок . Радиус окружности r=О₂А основания нижнего шарового слоя определится по формуле:

Площадь основания шарового слоя:

S_r=πr²=193902,065 мм².

Площадь нижнего шарового слоя:

Разность площадей определится:

ΔS=S_шс-S_r=64736,595 мм².

Площадь заготовки 2 будет:

Расчет показывает, что необходимо заготовку 2 изготавливать диаметром 788 мм, чтобы после деформирования диаметр ее фланца стал равным 735 мм.

Поскольку предлагаемый способ позволяет получать изделия с меньшим утонением, то для изготовления заготовки 2 используется лист с меньшей толщиной. В результате этого металлоемкость изделия сохраняется.

Таким образом, были получены положительные результаты по повышению производительности формоизменения и уменьшению разнотолщинности. Уменьшение разнотолщинности позволяет увеличить прочностные свойства оболочки в 2 раза или уменьшить весовые характеристики оболочки примерно на 20%.

Одновременное формоизменение двух заготовок повышает производительность процесса, так как время на формоизменение полуфабриката меньше, чем на формоизменение плоской заготовки, кроме того, процесс формообразования происходит только в одном направлении, тогда как в прототипе для осуществления реверсивного формообразования заготовку деформируют сначало в одном направлении, а затем в противоположном, что увеличивает время формоизменения.