Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Классификация деталей ЛА, получаемых из трубчатых заготовок . 10
1.2 Материалы, используемые в системах трубопроводов ЛА 15
1.3 Анализ существующих способов обжима трубных заготовок 26
1.4 Анализ способов интенсификации процесса обжима 49
1.4.1 Силовая интенсификация 49
1.4.2 Термическая интенсификация 50
1.4.3 Интенсификация за счет применения высоких скоростей деформации 53
1.4.4 Штамповка с электровоздействием на заготовку 55
1.4.5 Штамповка в режиме сверхпластичности 57
1.4.6 Косвенные методы интенсификации 59
1.5 Анализ теоретических методов решения задач, связанных с математическим моделированием напряженно-деформированного состояния трубной заготовки 61
1.5.1 Инженерные методы 64
1.5.2 Метод сопротивления материалов пластическим деформациям 68
1.5.3 Метод линейных скольжений 69
1.5.4 Вариационные методы 71
1.5.5 Метод конечных элементов 72
1.6 Краткие выводы и задачи исследования 75
Глава 2. Разработка математической модели процесса обжима трубных заготовок 76
2.1 Схема обжима трубных заготовок в жесткой матрице с наружным и внутренним подпором 76
2.2 Математическая постановка задачи 77
2.3 Численная схема решения задачи 79
2.4 Алгоритм решения задач 81
2.5 Реологическая модель деформируемой среды 82
2.6 Анализ результатов теоретических исследований 83
2.7 Выводы 89
Глава 3. Экспериментальные исследования 90
3.1 Экспериментальная установка для проведения исследований 90
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 97
3.3 Исследование микроструктуры и микротвердости образцов 107
3.4 Выводы П5
Глава 4. Разработка перспективных схем деформирования тонкостенных трубных заготовок обжимом 117
4.1 Разработка схемы деформирования трубной заготовки в обжимном штампе с использованием подпора из пластичного металла 117
4.2 Устройства для термокалибровки обжимом концов трубных заготовок 123
Общие выводы 132
Библиографический список
- Материалы, используемые в системах трубопроводов ЛА
- Математическая постановка задачи
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Устройства для термокалибровки обжимом концов трубных заготовок
Введение к работе
Детали из труб применяются во всех системах трубопроводов, которые в свою очередь широко используются во многих отраслях народного хозяйства: в нефтяной, газовой, автомобильной, в судостроении, машиностроении, медицине, самолетостроении, ракетостроении и т.д.
Объясняется это тем, что круглое сечение трубы является весьма рациональным как по площади проходного сечения, так и по его жесткости. Периметр круглой трубы имеет максимальную площадь проходного сечения, поэтому данное параметрическое преимущество перед другими геометрическими конфигурациями сечений является приоритетным при проектировании или строительстве трубопроводов различных систем и назначений. Кроме того, круглое сечение трубы имеет большой момент инерции, характеризующий его жесткость, и поэтому трубы часто применяются в конструкциях различных машин и сооружений в качестве основных и вспомогательных силовых элементов. Трубопроводные системы относятся к конструкциям ответственного назначения, от надежности которых зависит безотказность и ресурс изделия [1]. Детали из тонкостенных труб наибольшее распространение нашли во всех гидрогазовых системах летательных аппаратов без исключения. Надежность этих систем в значительной степени определяет надежность самолета в целом. Трубопроводы работают в условиях сложного нагружения. Они испытывают действия высоких давлений, пульсирующей нагрузки и гидравлических ударов, поэтому к ним предъявляются высокие требования по механическим свойствам материала, качеству внешней и внутренней поверхностей, сохранению формы сечения, а также максимальному утонению стенок трубы с целью снижения веса изделия.
Практика эксплуатации показывает, что наибольшее число разрушений трубопроводов связано с утонением из стенок в местах изгиба и перехода от одного диаметра к другому. Значительно снижает работоспособность трубопроводов такие факторы, как чрезмерная эллипсность и волнистость стенок - явления, сопровождающие процессы изготовления трубопроводов [2]. Отклонение от округлости сечения (овальность) должно лежать в пределах от 3 до 10% в зависимости от длины детали и ее функционального назначения. Наличие гофров на трубах гидравлических систем недопустимо.
Допустимое утонение стенки в зоне гиба принимается не более 15-20% от исходной толщины стенки трубы. Для ответственных патрубков чистота поверхности должна быть не менее Ra=2,5...1,6MKM.
Поверхность обжатой части не должна иметь забоин. Допускаются следы обжатия на трубе в виде волнистостей: продольной не более 0,05мм и поперечной глубиной не более 0,08мм. Волнистость разрешается только с плавным переходом: поперечная с шагом 5мм, продольная с шагом 10мм.
Одним из важнейших направлений в развитии современного самолетостроения является исследование новых перспективных способов обработки металлов давлением, позволяющих повысить производительность труда, увеличить эффективность использования ресурсов, снизить материалоемкость.
Среди всего разнообразия деталей самолета значительное место занимают детали элементов систем трубопроводов (патрубки, законцовки, фланцы, переходники, муфты); которые получаются в процессе формообразования трубчатых заготовок. По трудоемкости работ трубопроводы занимают около 10% изготовления деталей планера самолета. В объеме заготовительно-штамповочных работ производство патрубков составляет 10-15% от общей трудоемкости.
Наибольший интерес в последние годы вызывает исследование возможностей пластического деформирования более стойких и прочных материалов, например, титановых сплавов, которые обладают более высокими характеристиками удельной прочности по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями, высокой коррозионной стойкостью и достаточным сопротивлением усталости и отличаются возможностью эффективного использования в условиях повышенных температур.
Однако титановые сплавы являются пластически труднодеформируемыми из-за сравнительно малых величин удлинения при разрыве. Традиционные способы изготовления деталей из титановых сплавов являются неэффективными, что требует применения различных методов интенсификации этих процессов. Наилучшие технологические возможности достигаются при использовании термической интенсификации, но ее применение для изготовления деталей из титановых сплавов сопровождается газонасыщением поверхностных слоев, что снижает технико-экономические показатели готовых деталей.
В связи с этим важное значение имеет разработка и использование перспективных технологических процессов создающих благоприятное напряженно-деформированное состояние штампуемого материала, повышающих степень его формоизменения, и, в конечном итоге, снижающих трудоемкость изготовления деталей. Одним из способов интенсификации при обработке металлов давлением, исключающих нагрев заготовки и обеспечивающих пластификацию материалов является силовая интенсификация. Силовая интенсификация заключается в дополнительном нагружении заготовки сжимающими или растягивающими силами, действующими обычно в плоскости или в осевом направлении заготовки. С использованием дополнительного нагружения можно разгрузить опасное сечение заготовки или изменить пластичность материала за счет изменения схемы напряженного состояния.
Значительный вклад в разработку теории процессов формообразования деталей из трубчатых заготовок и методов их интенсификации внесли в своих работах Горбунов М.Н., Ершов В.И., Попов Е.А., Сторожев М.В., Богоявлинский К.Н., Сапожников В.М., Марьин Б.Н., Попов О.В., Исаченков Е.И., Пашкевич А.Г., Каширин М.Ф., Чумадин А.С. и другие авторы. Результаты этих работ позволили создать достаточно эффективные технологические процессы изготовления трубчатых деталей, в том числе деталей гидрогазовых систем летательных аппаратов. Анализ существующих способов изготовления деталей из трубчатых заготовок показывает, что основной технической проблемой при изготовлении деталей трубопроводов является не только повышение степени формоизменения заготовки за один переход, но и обеспечение необходимых высоких и стабильных механических свойств изделия, высокого качества внутренней и внешней поверхностей, минимального изменения толщины стенки и искажения формы сечения трубы.
Таким образом, настоящая работа, направлена на всестороннее изучение процессов пластического деформирования трубчатых заготовок при использовании силовой интенсификации, а также на разработку новых схем деформирования и штамповой оснастки, обеспечивающих повышение предельных возможностей процессов, снижение трудоемкости изготовления деталей, улучшение их качества и эксплуатационных характеристик, является актуальной.
Целью работы является разработка, исследование и промышленное внедрение высокоэффективных процессов деформирования обжимом тонкостенных трубных заготовок с применением силовой интенсификации, позволяющих существенно повысить предельные возможности формоизменения, снизить трудоемкость изготовления деталей, повысить их качество и эксплуатационные характеристики.
Научная новизна работы заключаются в следующем:
- предложена методика расчета технологических параметров процесса обжима тонкостенных трубных заготовок, разработанная на основе численного метода В.И. Одинокова, учитывающая параметры силовой интенсификации, деформационного и скоростного упрочнения материала, силы трения и температуры деформирования; получены новые эмпирические зависимости, описывающие изменение напряженно-деформируемого состояния тонкостенных трубных заготовок в процессе обжима при воздействии всестороннего сжатия;
- разработаны и исследованы высокоэффективные схемы деформирования тонкостенных трубных заготовок при обжиме в штампе с комбинированным внутренним подпором, а также с использованием в качестве противодавления внутри заготовки пластичного металла;
- получены аналитические и экспериментальные данные для расчета необходимых силовых параметров при проектировании технологических процессов и формообразующей оснастки.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- на основе результатов численного моделирования и экспериментальных исследований выработаны рекомендации по использованию силовой интенсификации при деформировании обжимом тонкостенных трубных заготовок, обеспечивающей повышение предельных возможностей формоизменения;
- разработаны прикладные программы для расчета на ЭВМ технологических параметров процесса обжима тонкостенных трубных заготовок с учетом фактора силовой интенсификации;
- разработанная технология изготовления элементов гидрогазовых систем ЛА позволяет снизить их себестоимость за счет уменьшения количества переходов формообразующих операций и соответственно количества используемой оснастки;
- разработаны и отработаны оригинальные конструкции штампов для получения трубчатых деталей типа «законцовка».
Реализация результатов работы. Способы и устройства деформирования тонкостенных трубчатых заготовок обжимом, разработанные автором, защищены патентом Российской Федерации, и нашли практическое применение на Комсомольском-на-Амуре АЛО имени Ю.А. Гагарина.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на межрегиональной конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2001г.) и изложены в научных статьях и докладах, приведенных в списке публикаций.
Публикации. Основные результаты исследований в 10 работах, в т.ч. 6 статьях и докладах, 4 авторских свидетельствах и патентах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, содержит 140 страниц основного текста, 66 рисунков, 18 таблиц.
Содержание работы.
В первой главе приведен анализ существующих способов деформирования тонкостенных трубных заготовок методом обжима, выполнен сравнительный анализ патентной и научно-технической литературы по известным способам, моделям деформирования обжимом трубных заготовок, дан обзор существующих математических методов решения задач расчета НДС осесимметричных заготовок.
Во второй главе на основе численного метода решения уравнений пластического течения предложенного В.И.Одиноковым получена математическая модель процесса обжим трубной заготовки с использованием силовой интенсификации.
Исследовано напряженно-деформируемое состояние (НДС) в процессе обжима тонкостенной трубной заготовки в условиях всестороннего сжатия.
В третьей главе приведено описание экспериментальной установки для проведения экспериментальных исследований. Исследованы и оптимизированы параметры методов обжима тонкостенных трубных заготовок по жесткой матрице с криволинейной образующей и с использованием комбинированного подпора внутри заготовки. Экспериментально оценены влияние силовой интенсификации на повышение степени деформирования трубной заготовки при ее обжиме на повышение качества и эксплуатационных характеристик получаемых изделий, оценена точность предложенной методики расчета параметров процесса деформирования трубных заготовок.
В четвертой главе рассмотрены перспективные схемы деформирования трубных заготовок. Разработана и изготовлена перспективная конструкция штампа для обжима трубных заготовок, где в качестве интенсифицирующего фактора в процессе обжима заготовки по жесткой матрице используется комбинированный внутренний подпор, выполненный из пластичного металла, обеспечивающий при сжатии необходимое противодавление за счет выдавливания его через калиброванное отверстие фильеры. Приведено описание разработанных устройств для термокалибровки обжимом концов труб с необходимыми расчетами геометрических и температурных параметров. Даны рекомендации по выбору перспективных методов силового воздействия на заготовку и проектированию технологической оснастки.
Материалы, используемые в системах трубопроводов ЛА
Трубопроводы относятся к конструкциям ответственного назначения, от надежности которых зависят безотказность и ресурс изделия, и должны иметь 3-х кратный запас по прочности. Для окончательного выбора материала трубопровода и оценки конструктивных характеристик соединений трубопроводов необходимо знать пределы выносливости различных материалов труб в состоянии их поставки, а оценку производить по эффективному коэффициенту концентрации напряжений: -и,о; }соед _ "-1 осоед Рк & 1 где o- f - предел выносливости трубы; ет л - предел выносливости соединения. Критерием работоспособности соединений трубопроводов, работающих с переменными напряжениями, является запас прочности, определяемый по формуле: спел где а - максимальная амплитуда напряжений, определяемая при эксплуатации или при наземных или летных испытаниях серийных изделий; + п, і «І где сгЯ и ащ - составляющие переменных напряжении, которые определяются в результате тензометрирования трубопроводов с расположением датчиков в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
В таблице 1.2 приведены характеристики выносливости труб в состоянии поставки. Значения пределов прочности аа для материалов 12Х18Н10Т и ПТ-7М составляют 540...560 (54...56) и 480...680 48...68) МПа (кгс/мм2) соответственно.
Из таблицы 1.2 видно, что значения сг7 титанового сплава ПТ-7М не меньше, чем у традиционной стали 12Х18Н10Т, широко применяемой в настоящее время для трубопроводов авиационных гидрогазовых систем. При проектировании трубопроводных систем, зная расход жидкости Зжи скорость ее движения V, связанную с переходом давлений на участках трубопроводных систем, необходимо определить площадь проходного сечения F -Ял. п.е. у Далее, в зависимости от рабочего давления, надо выбрать материал с учетом предела прочности cv удельной массы у и толщины стенки Smin трубы, а затем определить статическое минимальное разрушающее давление: Л = сга 1/2( / + /5 +1 где dy - внутренний диаметр трубы.
Расчет и нормы рабочих давлений гидросистемы в бесшовных трубопроводах из стали 12Х18Н10Т, титановых сплавов ОТ4-0, ПТ-7М, алюминиевых сплавов Амг2М, Амгб, АМгЗ, работающих под равномерным давлением внутри трубы и различных температурах, принимаются в соответствии с ОСТ 100243-77. [8]
Наряду с традиционными материалами, такими как алюминиевые сплавы и стали, в системах жизнеобеспечения изделий последних разработок широко применяются трубопроводы, выполненные из титановых труб, которые удовлетворяют по массовым и эксплуатационным характеристикам требованиям разработчика ЛА. Титановые сплавы обладают более высокими характеристиками удельной прочности по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями, высокой коррозионной стойкостью и достаточным сопротивлением усталости и отличаются возможностью эффективного использования в условиях повышенных температур, при которых применение алюминиевых сплавов невозможно или нецелесообразно.
Особенно актуально использование титановых сплавов в трубопроводах высокого давления, в которых алюминиевые сплавы становятся неработоспособными, а стали, не могут конкурировать из-за меньших удельных прочностных характеристик, либо в трубопроводах, работающих с агрессивными средами. В результате экспериментальных исследований и их статистической обработки по определению влияния на усталостную прочность деталей и труб, нагруженных пульсирующим движением жидкости и различных конструктивно-технологических факторов, таких как диаметр, отклонение от округлости (овальности), радиусов изгиба с различными отклонениями от округлости (овальности) в местах их гиба, а также способов изгиба деталей из труб и в зависимости от их функционального назначения для практических целей, рекомендуется использовать данные, приведенные в таблице 1.3
Если в авиации используется главным образом высокая удельная прочность титановых сплавов, то для других отраслей промышленности главный стимул применения титана - его высокая коррозионная стойкость при низких и высоких температурах. Титан стоек в азотной кислоте, а также ряде других кислот при таких концентрациях и температурах, которые ведут к быстрому разрушению других конструкционных металлов, в том числе и нержавеющих сталей. Антикоррозионная стойкость титановых сплавов так же велика в морской воде и растворах хлористых солей. Несмотря на очевидные преимущества титановых сплавов, процесс изготовления деталей из них более трудоемкий, чем из алюминиевых, в силу присущих титановым сплавам технологических свойств: 1. Высокий предел прочности и высокий предел текучести, близкий к пределу прочности, что определяет узкий диапазон пластического деформирования и высокую упругую отдачу материала; 2. Низкая пластичность при комнатной температуре; 3. Активное взаимодействие титана с газами при повышенных температурах, что приводит к образованию газонасыщенного слоя, существенно ухудшающего эксплуатационные характеристики материала, и к необходимости защиты металла от этого воздействия при технологических процессах и применения в ряде случаев вакуумного обжима.
Математическая постановка задачи
Усложнение форм деталей из трубных заготовок и повышение точности их изготовления при сокращении ручных доводочных работ и при использовании современных высокопрочных материалов требует совершенствования, используемого в настоящее время, оборудования и технологических процессов.
Анализ существующих способов изготовления деталей из трубчатых заготовок показывает, что основной технической проблемой является не только повышение степени формоизменение заготовки за один переход, но и обеспечение необходимых высоких и стабильных механических свойств изделия, высокое качество внутренней и внешней поверхностей, минимальные изменения толщины стенок и искажения формы сечения трубопроводов.
Одной из наиболее сложных технологических операций является обжим. В связи с этим, целью данной работы является разработка и исследование высокоэффективных процессов деформирования обжимом тонкостенных трубных заготовок, позволяющих существенно повысить предельные возможности формоизменения, снизить трудоемкость изготовления деталей, повысить их качество и эксплуатационные характеристики.
Проведенный обзор и анализ позволил сделать выводы о необходимости решения следующих задач: 1) теоретического и экспериментального исследований процессов деформирования тонкостенных трубчатых заготовок в штампах с учетом силовой интенсификации; 2) разработки новых конструкций формообразующей штамповой оснастки для осуществления высокоэффективных процессов деформирования тонкостенных трубчатых заготовок обжимом; 3) разработки методики определения оптимальных силовых параметров процесса; 4) анализа качества получаемых деталей; 5) разработки типовых технологических процессов обжима в штампах с применением комбинированного внутреннего подпора и рекомендаций по освоению их в производстве.
Для решения задачи построения математической модели процесса деформирования обжимом тонкостенных трубных заготовок мною выбран численный метод решения дифференциальных уравнений пластического течения, предложенный В.И. Одиноковым. Целесообразность применения этого метода обусловлена тем, что он позволяет учесть деформационное и скоростное упрочнение материала, а также температуру нагрева при деформировании, кроме того, разбивка процесса на временные шаги позволяет оценить «историю нагружения».
Рассматривается технологическая операция обжима конца трубной заготовки по жесткой матрице заданного радиуса с фиксированным распределением толщины стенки за счет использования внутреннего подпора. Такая схема позволяет исключить потерю устойчивости и изменение толщины стенки деформируемой трубной заготовки.
Для увеличения степени деформации за одну операцию заготовка дополнительно нагружается сжимающими силами, действующими в поперечном сечении трубы. Это условие обеспечивается за счет использования двустороннего противодавления, которое создается элементами штампа (наружной обоймой и оправкой находящейся внутри заготовки).
Данный процесс осуществляется в штампе (рис. 2.1.). В обойму 1 с цилиндрическим отверстием, равным внешнему диаметру трубной заготовки, вставляется заготовка 2, сверху обойма стыкуется с формообразующей матрицей 3. Внутрь трубной заготовки вводится оправка 4 с диаметром равным внутреннему диаметру трубной заготовки. Распорное кольцо 5 обеспечивает равномерный зазор между рабочими поверхностями полости матрицы 3 и оправки 4. Шпилька 6 с гайкой 7 обеспечивают крепление оправки 4 с матрицей 3 и препятствуют выжиманию оправки в процессе деформирования металла. Формообразование конца трубной заготовки в штампе осуществляется на прессе при воздействии продольной внешней силы Р через пуансон 8 обеспечивающий проталкивание трубной заготовки между криволинейными образующими матрицы 3 и оправки 4.
Рассматривается осесимметричное тело вращения. Деформируемый материал считается изотропным и несжимаемым. Используется гипотеза единой кривой. Движение считается медленным. Массовыми и инерционными силами пренебрегаем. Схема процесса показана на рис. 2.2. с учетом осевой симметрии.
Схема обжима трубной заготовки в жесткой матрице с внутренним подпором. Используя теорию пластического течения, запишем систему дифференциальных уравнений в виде (%.; = 0; щ - аду = 2Щ ; = 0,5(uv+ ц,,); = 0; (1) Я- L: Т=Т(Е,4 ,в); Я = (2 )1Й, п Здесь Су - компоненты тензора напряжения; - компоненты тензора скоростей деформаций; vt - компоненты скорости перемещения; $у - символ Кронекера. Функция Т = Т(Е, %, в)- определяется по экспериментальным данным; Е - степень деформации; - скорость деформации, при одноосном нагружении % = Ц/г В соответствии с уравнениями (1) вся исследуемая область деформации находится в пластическом состоянии. Начальные условия Е = 0 при т= 0 ; 6\ г=о = @о, (2) где г - время деформации, в0 - температура деформации; считается, что 6$ не меняется с течением времени г. Граничные условия V]\Si=v; тц& = 0; ст12154 = 0; Oi2l&=0; v2\ s. = О, (і = 1,2); (3) На поверхностях контакта металла с инструментом S\t 1 (рис. 2.2.) имеет место скольжение. Закон трения принимается в виде ?\г \si= Щт, % I „. cos(nbx t 0=1, 2) (4) V где щ (і = 1, 2) коэффициент трения на соответствующих поверхностях, щ - вектор нормали от металла и инструмента; vCK скорость скольжения металла относительно инструмента в направлении координаты х2.
Методика проведения экспериментальных исследований
Целью данной части работы является проведение экспериментальных исследований по выбору наиболее оптимального варианта процесса обжима тонкостенных трубных заготовок и определение влияния основных факторов на эффективность процесса и качество получаемых деталей.
При проведении экспериментальных исследований не базе разработанной схемы деформирования тонкостенных трубных заготовок в качестве параметра оптимизации была выбрана толщина стенки патрубка на участке, подвергнутом деформированию обжимом. При этом необходимо было выявить наиболее важные технологические параметры процесса и оптимизировать их значение.
Для проведения исследований использовались образцы из трубных заготовок из алюминиевых и стальных сплавов рис.3.6. Для изучения процесса обжима тонкостенных трубных заготовок в качестве основных технологических параметров были выбраны следующие факторы: 1) наличие внутреннего подпора; 2) использование смазки; 3) величина относительной толщины стенки s/D трубной заготовки; 4) механические свойства материала трубных заготовок. Образцы трубных заготовок в исходном состоянии имели диаметр 40 мм при различной толщине S и высоте 50 мм. Обжим образцов в штампе производился как без внутреннего подпора, так и с подпором. Внутренний подпор комбинированной конструкции состоял из жесткой и эластичной частей, где в качестве эластичной составляющей применялись либо резина марки ИРП-1078 (твердость по ШОРУ Ншор=60), либо полиуретан марки СКУ-7Л (Ншор=80). В качестве смазки использовался состав, состоящий из следующих компонентов: Сурик свинцовый ГОСТ 19151 -74 =15% Графит ГЛ-1 ГОСТ 5279-74 = 10% Тальк ГОСТ 19279-74 = 10% Дисульфит молибдена ДМ2 ТУ-48-19-133 =5% Масло ЭТМЛ ТУ-0253-014-24088086-2000 = остальное
Смазка применялась для уменьшения усилия обжима за счет снижения сил трения и получения хорошего качества поверхности заготовки при предельном значении коэффициента обжима.
При проведении экспериментальных работ, образцы, полученные после обжима, подвергались контролю по замеру толщины стенки в зоне ее обжатой части, с помощью индикаторного стенкомера и ультразвукового толщиномера модели УТ-5231 (рис.3.8). Результаты фиксировались и вносились в таблицы для каждого материала соответственно. Табличные значения использовались при построении графиков для различных схем обжима.
Процесс обжима трубной заготовки в жесткой матрице с наружным и внутренним подпором происходит в условиях всестороннего сжатия.
Такой вид напряженно-деформированного состояния создает более благоприятные условия для пластической деформации, так как затрудняются межкристаллические сдвиги, приводящие к нарушению механических связей, и пластическая деформация идет в основном за счет внутрикристаллических сдвигов. При этом степень деформации тонкостенных трубных заготовок в холодном состоянии за одну операцию увеличивается на 10 ... 30% по сравнению с известными схемами.
Для проведения исследований микроструктуры и микротвердости, исследуемые образцы предварительно разрезались пополам, а по срезу делался микрошлиф, см. рис.3. Исследование структуры металла проводилось с помощью металлографического микроскопа мод. «NEOPHOT» при увеличении в 250 раз. Для выявления структуры микрошлиф подвергался травлению химическими реактивами. Для сравнительного анализа брались образцы, трубных заготовок до деформации и образцы подвергнутые деформации. На последних исследовался криволинейный участок, зоны очага деформации.
Структура мелкозернистая, полосчатая соответствующая направлению прессования. На внешнем слое деформированного образца имеет место незначительное уплотнение и измельчение зерна. Среднее значение микротвердости у на исходном образце HV 0,05 = 28 кгс/мм , на обжатом образце эта величина составляет 105 кгс/мм , т.е. твердость материала увеличилась в 3,75 раза, т.о. заготовка после обжима имеет значительное деформационное упрочнение материала.
Испытания на микротвердость проводилось с помощью твердомера модели ПМТ-ЗМ. Определение твердости осуществляется путем вдавливания в поверхность образца четырехгранной пирамиды. Поверхность образца подготавливали так же, как и для микроисследования (шлифование, полирование, травление). Четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вершине 136, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу) вдавливали в испытываемый материал под очень небольшой нагрузкой Р = 0,05кгс (0,4905Н) В результате испытания на поверхности образца получали небольшой отпечаток в виде ромба. При помощи шкалы оптического микроскопа измеряли обе диагонали ромба, вычисляли их среднее значение и определяли значение микротвердости. Метод определения
микротвердости твердомером сложнее других способов, однако, он имеет важные преимущества: позволяет измерять твердость как мягких, так и твердых металлов, а также очень тонких деталей и очень тонких слоев.
На рис.3.18 представлены микроструктуры образцов из материала Д16АТ (дюралюминий конструкционный жаропрочный) до и после обжима с применением комбинированного внутреннего подпора. Микроструктура мелкозернистая с равномернораспределенными интерметаллидами, пограничный слой на обжатой заготовке имеет уплотнение и измельченное зерно. Среднее значение микротвердости на исходном образце составило HV0,05 = 108 кгс/мм , на деформированном образце 128 кгс/мм2, т.е. имеет место увеличение твердости в 1,2 раза. Т.о. имеет место деформационное упрочнение при обжиме тонкостенных трубных заготовок из материала Д16АТ.
На рис.3.19 представлена микроструктура образцов до и после обжима с применением комбинированного внутреннего подпора из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т (сталь аустенитного класса). Микроструктура полосчатая соответствующая направлению прессования, состоит из аустенита и дельта-феррита. На внешнем слое деформированного образца имеет место уплотнение и измельчение зерна. Среднее значение микротвердости на исходном образце составило HV0,05 =171 кгс/мм , на деформированном образце 206 кгс/мм ед., т.е.
Устройства для термокалибровки обжимом концов трубных заготовок
При изготовлении элементов трубопроводов ЛА при их подготовке под пайку или заделку концов в соединительную арматуру широко применяется процесс калибровки концов труб.
В настоящее время, при подготовке, концы труб обжимаются в штампе до необходимого размера. После обжатия непосредственно или по истечении определенного времени, трубы приобретают овальность в недопустимых пределах, а также имеют склонность к увеличению размеров.
Проведенные исследования, выявили, что причиной нестабильности размеров и формы являются внутренние напряжения в материале трубы. Внутренние напряжения складываются из напряжений в трубе в состоянии поставки и приобретенных при неравномерном обжатии в штампе. К этому следует добавить влияние эффекта «памяти», которыми обладают трубы, изготавливаемые из различных материалов.
Величина обжатия при калибровке может достигать 0,2 мм и более. Исполнительные размеры инструмента должны учитывать пружинение, которое составляет для титановых сплавов 45-55% от величины обжатия, для нержавеющей стали 12Х18Н10Т - 35-45% от величины обжатия.
Для осуществления калибровки используются жесткие штампы представляющие двухсекционные или многосекционные матрицы в которых обжатие происходит с осевой подачей и поворотом заготовки на заданный угол на каждый рабочий ход пресса, при этом способе труба в зоне обработки приобретает огранку и повреждения на поверхности. Конструкции многосекционных матриц достаточно сложны в изготовлении и наладке.
Для решения задачи связанной с повышением эффективности процесса калибровки трубных заготовок без нарушения круглости внешнего диаметра трубы, и снятием внутренних напряжений в заготовке в зоне обработки, мною разработано устройство для термокалибровки концов труб. На рис.4.5 представлена конструкция этого устройства.
Устройство содержит оправку / с цилиндрической рабочей полостью и ограничитель 2, прикрепленный к оправке 1, оправка выполнена из материала с коэффициентом температурного расширения меньшим, чем в трубной заготовке 3. Ограничитель 2 обеспечивает фиксацию трубной заготовки по длине до упора. Устройство работает следующим образом: оправку 1 устанавливают на конец трубной заготовки 3 до упора 2, затем устройство с заготовкой нагревают в нагревательной установке или в вакуумной печи до конечной температуры нагрева, после чего все охлаждают и оправка снимается с заготовки.
При термокалибровке в данном устройстве используется эффект разности температурного расширения материалов заготовки и оправки: при нагреве заготовка увеличивается в диаметре быстрее, чем оправка, выбирает зазор д и входит в плотный контакт с внутренней полостью оправки. При дальнейшем нагреве увеличение диаметра тонкостенной трубной заготовки в зоне контакта сдерживается, так как оправка расширяется медленнее, а по конструктивным параметрам она более жесткая. Под действием нарастающего давления в зоне контакта происходит обжатие заготовки. Разработанное устройство позволяет осуществить процесс калибровки без нарушения круглости внешнего диаметра трубной заготовки. За счет изменения конечной температуры нагрева процесс становится управляемым и, следовательно, за счет этого можно варьировать в допустимом температурном диапазоне, обеспечивая необходимую точность наружного диаметра калибруемого конца трубы. На данное устройство была подана заявка на предлагаемое изобретение.
Величина обжатия Н при термокалибровке будет зависеть от разницы коэффициентов температурного расширения оправки и заготовки, а также первоначального зазора между ними и определяется выражением: Н=АОзаг-АО01у - S, где АОзаг - приращение наружного диаметра трубной заготовки при ее нагреве без оправки до конечной температуры: ЛДэир - приращение внутреннего диаметра оправки при ее нагреве до конечной температуры где 5 - зазор между внутренним диаметром оправки и наружным диаметром трубной заготовки до нагрева, Озаг - наружный диаметр трубной заготовки, Donp - внутренний диаметр оправки, а-опр, &заг - соответственно коэффициент температурного расширения оправки и трубной заготовки, н. к- начальная и конечная температура устройства с заготовкой. По заданной величине обжатия Я, AZ)W, AD0„P, аопр и азаг вычисляют рабочий размер внутреннего диаметра оправки Donp и зазор б. Например: Для термокалибровки трубной заготовки из стали 12Х18Н10Т с диаметром D3ae=42,QMM, толщиной стенки 1мм и коэффициентом температурного расширения азаг = 18,9 10-6 мм/град использовалась оправка из сплава ОТ4-1 с коэффициентом температурного расширения сСо ІхІО"6 мм/град. Начальные и конечные температуры термообработки составляют tH = 20 С и tK = 700 С, требовалось получить трубную заготовку под паянное соединение с Dmp = 41,8 05
