Технология и оснастка сверхпластической формовки

Министерство образования и науки РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет Автоматизации Машиностроения Кафедра «Технологии и Дизайна»

Отчёт по лабораторной работе на тему

«Технология и оснастка СПФ»

по дисциплине

«Оборудование для реализации ТХОМ»

Разработали студентки гр. ТХОМ-31

Шалыгина Т. М.

Шитова А. Э.

Руководитель Смертин.С.А.

Киров 2015

1.Сущность метода СПФ

1.1 Определение

1.2 Оборудование

1.3 Оснастка

1.4 Преимущества и недостатки

1.5 Применение

2. Характеристики СП

2.1 Основные признаки состояния сверхпластичности

2.2 Разновидности сверхпластичности

3. Способы получения сверхпластичных материалов

4. Способы уменьшения разнотолщинности заготовки

4.1 Формовка с использованием сил трения

4.2 Формовка в неравномерном температурном поле

4.3 Реверсивная формовка

4.4 Предварительная подготовка заготовки

4.5 Ограниченная вытяжка

5. Схемы реализации методов СПФ

5.1 Формовка

5.2 Вытяжка

5.3 Оформление художественного рельефа

5.4 Калибровка

6. Разработка технологической оснастки для операции СПФ

1. Сущность метода СПФ

1.1 Определение Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности является одним из технологических способов, которые широко используются в промышленном производстве для изготовления деталей, имеющих различные геометрические размеры, форму и требуемые эксплуатационные характеристики.

Сверхпластическая формовка — это совокупность способов изготовления деталей из тонкостенных плоских или полых заготовок под небольшим давлением формообразующего газа в оптимальных температурно-скоростных условиях сверхпластичности.

1.2 Оборудование Для создания усилия прижима обычно используется маломощные серийные гидравлические прессы с большим штамповочным пространством, позволяющим размещать достаточно крупногабаритный изотермический блок.

1.3 Оснастка Листовая заготовка из сверхпластичного материала укладывается на разъемную или целую матрицу, расположенную в изотермическом блоке, содержащем нагревательные элементы и теплоизоляцию. При опускании прижима заготовка герметично распределяется по контуру между уплотнительными выступами и канавками крышки и матрицы. После нагрева заготовки через отверстие в крышке подается формообразующий газ (озон, аргон, сжатый воздух) и происходит оформление детали по контуру.(Рис.7)

1.4 Преимущества и недостатки метода СПФ К основным преимуществам СПФ по сравнению с традиционными методами обработки металлов давлением относятся:

высокий запас деформационной способности, который позволяет обеспечить получение деталей с точным воспроизведением сложной конфигурации полости матрицы за одну формообразующую операцию;

малые напряжения течения материала в состоянии сверхпластичности позволяют увеличить границы габаритных размеров обрабатываемых изделий на маломощном оборудовании;

возможность совместить процессы получения геометрической макроформы изделия и тонкого (художественного) рельефа;

отсутствие пуансона или верхнего штампа как такового, роль которого выполняет газ (аргон, воздух);

матрица для СПФ может использоваться для формовки материалов различной толщины;

Наряду с достоинствами СПФ обладает и рядом недостатков:

необходимость специальной подготовки структуры материала заготовок;

сравнительно высокие температуры деформирования усложняют процесс СПФ;

высокая продолжительность процесса СПФ и, соответственно, низкая производительность;

разнотолщинности, т. е. разная толщина стенки материала готового изделия в местах наименьшей и наибольшей вытяжки.

1.5 Применение В настоящее время процесс СПФ применяется во многих отраслях машиностроения, а так же для получения художественных изделий. Испанская фирма ITP данным методом получает модули для реактивного сопла для истребителя бомбардировщика Eurofighter. В каждом из которых устанавливаются 12 створок, полученных методом СПФ из титанового сплава трехлистовой конструкции с гофрированным наполнителем. Так же примером может послужить изготовленные для узлов авиакосмической промышленности предкрылки самолета Мираж-2000, трубопровод истребителя Tornado, изготовленный в Германии. В настоящее время процесс СПФ широко используется для получения управляющих поверхностей, небольших аэродинамических поверхностей, различного рода силовых перегородок, корпусных элементов, газоотводов, вращающихся частей двигателя.

2. Характеристики сверхпластичности

2.1 Основные признаки сверхпластичности Сверхпластичность — это способность материалов при растяжении в определенных температурно-скоростных условиях воспринимать весьма значительные деформации без разрушения, превышающие их значения при обычных условиях испытания в несколько раз.

Выделяют три основных признака, совокупность которых может характеризовать состояние сверхпластичности:

Повышенная (по сравнению с пластическим состоянием) чувствительность напряжения течения сверхпластичных материалов к изменению скорости деформации или, иными словами, повышенная склонность сверхпластичных материалов к скоростному упрочнению.

Высокая устойчивость течения сверхпластичных материалов, обеспечивающая большой ресурс деформационной способности, благодаря чему относительное удлинение при растяжении таких материалов может достигать нескольких сотен и даже тысяч процентов.

Напряжение течения материала в состоянии СП в несколько раз меньше предела текучести, характеризующего тот же материал в пластичном состоянии.

оснастка сверхпластический формовка

2.2 Разновидности сверхпластичности

Cуществуют следующие разновидности сверхпластичности:

1) Структурная, которая проявляется при температурах > 0,5 Тпл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации (10−5 — 10−1 с-1).

2) Субкритическая (сверхпластичность превращения), наблюдающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных. Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности. Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в определенных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации. При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается. Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чувствительностью напряжения течения, а к изменению скорости деформации e: s = kem, где k — коэффициент, зависящий от структуры и условий испытания; т — показатель скоростной чувствительности напряжения течения. Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел т = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации т < 0,2, а в условиях сверхпластической деформации т > 0,3 (обычно 0,4—0,7). Когда при сверхпластической деформации начинается образование шейки, в этом участке образца возрастает e и из-за высокого значения тувеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяжении образца. Структурная сверхпластическая деформация протекает главным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в определенной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение. Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала — это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации.

3. Способы получения сверхпластических материалов Способы получения (по структурному признаку различают):

сверхпластичность, обусловленную чрезвычайно мелкозернистой структурой (структурная пластичность);

сверхпластичность, связанную с фазовыми превращениями (пластичность при превращении).

Способы получения сверхпластичных материалов на примере сплава Mg-Zn-Cu-Ni-Zr. Сплав имеет состав 4% Mg; 4% Zn; 0,8% Cu; 3% Ni; 0,28% Zr. Для приготовления сплава используется алюминий марки А99, магний Мg 90, цинк Zn0 и лигатуры, например, «Al — 53,5 масс, % Cu», «Al -20 масс, % Ni» и «Аl -3,5 масс, % Zr». Ведется плавка в граффито-шамотных тягах с последовательным введением в расплавленный алюминий лигатур «Аl -3,5 масс, % Zr», «Al -20 масс, % Ni», «Al — 53,5 масс, % Cu» и магния в чистом виде. Перед введением магния, расплав доводим до температуры 780 0С для последующего нагрева до температуры 800 0С. Расплав перед заливкой выдерживали в течении 10−15 минут при температуре 800 0С. Если не обеспечить этого нагрева, то при кристаллизации выделяются первичные алюминиды циркония, что снижает в последствии показатели сверхпластичности материала.

Разливка расплава на установке со скоростями охлаждения не менее К/с. Гомогенизационный отжиг слитков в 2 ступени — при температуре 400 0С в течении 3 часов и при температуре 500 0С в течении 3 часов. После слитки обрабатываются для удаления поверхностных дефектов, и отрезается усадочная раковина.

Далее следует горячая прокатка при температуре 420 0С с суммарным обжатием 70%.

Холодная прокатка проводиться с суммарным обжатием 70%.

Для определения механических свойств образцы подвергаются закалке с температуры 480 0С, 20 минут выдержки и старению по режиму 110 0С.

Предел текучести составил 750 МПа, предел прочности 600 МПа, относительное удлинение 5%.

Технологический режим обеспечил формирование частично некристаллизационной структуры перед началом сверхпластической деформации при температуре до 480 0С. В процессе сверхпластической деформации структура полностью рекристаллизуется.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температурах 440−480 0С, составило 650%.

4.Способы уменьшения разнотолщинности заготовки Имеется большое количество способов уменьшения разнотолщинности заготовки, то есть повышения равномерности распределения деформаций.

Многие из этих способов основаны на блокировании участков заготовки подвергающихся максимальным деформациям за счет сил или трения между заготовкой и формообразующим элементом, на 1 этапе формообразования.

В настоящее время известен ряд способов, позволяющих ограничить разнотолщинность стенок формуемых деталей.

4.1 Формовка с использованием сил трения Это метод состоит в том, что наиболее сильно утоняющиеся участки заготовки блокированы силами трения с помощью выбранной формы инструмента в течении определенного периода формовки. При этом основная деформация заготовки осуществлялась за счет утонения участков, степень деформации которых в обычных условиях СПФ минимальна.

Рисунок 1 — Схема формовки с использованием сил трения На рисунке 1 представлено устройство для СПФ, где в качестве регулятора распределения толщины используются силы трения. Листовая заготовка — 5, жестко закрепленная по фланцу между верхней — 2 и нижней — 1 матрицами, в исходном положении соприкасается с плоской (или какой-либо другой заданной формой: головкой — 3, укрепленной на плунжере — 4.

В процессе формовки плунжер перемещается с определенной скоростью. В этом способе форма головки и скорость перемещения плунжера являются существенными факторами для снижения разнотолщинности по контуру детали. При уменьшении скорости движения плунжера увеличивается деформация периферийной зоны заготовки. Следовательно требуемое распределение толщины по контуру может быть получено за счет выбора оптимальной формы и определенной скорости движения плунжера.

4.2 Формовка в неравномерном температурном поле Известны способы снижения разнотолщиности по контуру отформованной детали за счет создания неравномерного температурного поля в деформируемой заготовке. При этом неравномерное поле нагрева характеризуется постепенным уменьшением температуры от участков, степень деформации которых в обычных условиях минимальна, к сильно утоняющимся участкам заготовки. Так как величина напряжения течения высокой температурной зоны заготовки меньше, чем нижняя, то преимущественная деформация будет происходить на участке с более оптимальными температурными параметрами. Наиболее эффективным способом достижения поставленной цели является создание градиента температуры по площади исходной заготовки, что возможно за счет сублимации вещества, нанесенного на определенные участки поверхности заготовки. При достижении в рабочем пространстве матрицы температуры, соответствующей началу процесса формовки, это вещество интенсивно испаряется, что сопровождается поглощением теплоты с участка, на котором оно было нанесено. Количество поглощаемой теплоты пропорционально количеству нанесенного сублимата. Таким образом, по площади исходной заготовки перед началом ее формообразования создается заданное температурное поле.

4.3 Реверсивная формовка Как известно, главной проблемой для получения равностенной детали типа «купола» является уменьшение утонения в центре заготовки. C этой целью осуществляется формовка с выворачиванием, называемая реверсивной формовкой, что позволяет перераспределять деформацию по ее контуру.

Рисунок 2 — Схема реверсивной формовки Схема этого процесса представлена на рисунке 2. Первоначально газ подается в верхнюю матрицу — 1, где происходит преимущественная деформация краевых участков заготовки. При этом образуется промежуточный профиль (рифт) I, форма которого соответствует форме вкладыша — 3. Далее реверсируют давление, т. е убирают его из верхней матрицы — 1 и подают в нижнюю матрицу — 2. Происходит выворачивание полуфабриката. Проходя через плоскость разъема инструмента, он продолжает деформироваться до заполнения полости верхней матрицы. На второй стадии формовке подвергаются преимущественно центральные участки заготовки. Полученная в результате формовки в два перехода деталь — II характеризуется выравниванием общей деформации по контуру.

4.4 Предварительная подготовка заготовки Данный способ регулирования толщины основан на использовании в качестве исходной заготовки неравномерной толщины. При обычной формовке листовой заготовки с предварительно нанесенной координатной сеткой устанавливаются участки, подвергающиеся наибольшему утонению. С помощью замеров толщины стенок и вычисления площади ячеек координатной сетки определяется объем металла, которого не хватает для получения равнотолщинной детали. Далее используют заготовку такой формы, чтобы в местах, подвергающихся наибольшей вытяжке, был обеспечен набор недостающего объема металла за счет увеличения толщины заготовки в этих местах. Другим известным способом является формовка предварительно термообработанных заготовок, включающая местную термическую обработку участков заготовки, подвергающихся наибольшей вытяжке при СПФ, для получения крупных зерен в микроструктуры. В процессе формовки эти участки заготовки мало деформируется. Это позволяет уменьшить утонение стенок деталей в наиболее опасных сечениях.

4.5 Ограниченная вытяжка Этот метод состоит в том, что нагретый до состояния СП лист зажимают между верхней и нижней матрицами с усилием меньшим, чем усилие, приложенное к свободной части исходной заготовки, вследствие чего при формовке происходит вытягивание материала из-под прижима. При этом площадь деформируемой зоны заготовки увеличивается. Поэтому распределение толщины по контуру полученной детали будет более равномерным по сравнению с формовкой заготовки с жестким зажимом.

Метод ограниченной вытяжки является универсальным, так как позволяет получать более глубокие формы с незначительной разнотолщинностью по контуру. Кроме этого данный способ формовки может быть использован в сочетании с механической вытяжкой или вакуумной формовкой. Его широкое внедрение в производство сдерживается отсутствием в промышленности высокотемпературных уплотнительных элементов, без чего применение ограниченной вытяжки для формовки конcтрукционных материалов практически невозможно.

5. Схема реализации методов СПФ

5.1 Формовка Рисунок 3 — Схема формовки, где 1 — заготовка; 2 — - изделие после СПФ; 3 — матрица; 4 — крышка матрицы; 5 — нагревательные элементы; 6 — подвод газа (азот); 7 — обойма;

8 — вкладыш с художественным рельефом.

5.2 Вытяжка Вытяжка — образование полого изделия из плоской или полой заготовки. Вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы. Пуансон надавливает на заготовку и она, смещаясь в отверстие матрицы, образует стенки вытянутой детали диаметром.

Формоизменение при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжки, который в зависимости от механических характеристик металла и условий вытяжки не должен превышать 2,1. Потерю устойчивости фланца и образование складок при вытяжке предотвращают прижимом фланца заготовки к матрице с определенным усилием.

Опасность разрушения заготовок устраняют применением смазочных материалов для уменьшения сил трения между поверхностями заготовок и инструмента.

Весьма распространенной операцией является штамповка ребер жесткости, широко применяемая в автостроении, самолетостроении, вагоностроении, приборостроении, радиотехнике и т. п.

Рисунок 4 — Схема вытяжки, где 1 — заготовка; 2 — изделие после СПФ; 3 — матрица; 4 — крышка матрицы; 5 — нагревательные элементы; 6 — подвод газа (азот); 7 — обойма.

В большинстве случаев штамповка ребер жесткости производится металлическими штампами, лишь в самолетостроении она выполняется на гидравлических прессах давлением резины или жидкости.

5.3 Оформление художественного рельефа Рельефная формовка — местное деформирование заготовки с целью образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки. Формовкой получают конструкционные выступы и впадины, ребра жесткости, лабиринтные уплотнения.

Рисунок 5 — Схема оформления художественного рельефа, где 1 — заготовка; 2 — - изделие после СПФ; 3 — матрица; 4 — крышка матрицы; 5 — нагревательные элементы; 6 — подвод газа (азот); 7 — обойма;

8 — вкладыш с художественным рельефом.

5.4 Калибровка Калибровка — операция пластического деформирования заготовки (детали) с целью достижения (повышения) точности ее формы и размеров. Осуществляется вручную или с использованием специальных инструментов.

Рисунок 6 — Схема калибровки где 1 — заготовка; 2 — - изделие после СПФ; 3 — матрица; 4 — крышка матрицы; 5 — нагревательные элементы; 6 — подвод газа (азот); 7 — обойма.

6. Разработка технологической оснастки для операции СПФ Процесс изготовления данного изделия производится формовкой плоской заготовки в жесткую матрицу.

Рисунок 7 — Схема формовки в матрицу заданной формы, где 1 — матрица;

2 — обойма; 3 — заготовка;

На рисунке 7 приведена схема формовки. Плоская заготовка из листового металла — 3 помещается на разъемную матрицу — 1, части которой скрепляются штифтами — 3, расположенную в обойме — 2, поверх которой находятся нагревательные элементы и теплоизоляция. При опускании прижима заготовка герметично распределяется по контуру между уплотнительными выступами и канавками крышки и матрицы. После нагрева заготовки через отверстие в крышке подается формообразующий газ (озон, аргон, сжатый воздух) и происходит оформление детали по контуру. Таким методом мы получаем готовое изделие — 5.