Visco-plastic forming of hemispherical shells by gas

Abstract

The article shows the calculated dependences and the results of experimental work on gas shaping of spherical shells of tanks.

Full Text

В энергетических узлах летательных аппаратов применяют емкости из титановых и алюминиевых сплавов. Они предназначены для транспортировки компонентов топлива и могут быть по геометрической форме сферическими, торовыми, цилиндрическими. Для изготовления их корпусов (оболочек) используют технологию штамповки на прессах и механическую обработку резанием. Технология трудоемка и связана с большим расходом материала. В этой связи эффективно применение специальных методов штамповки, одним из которых является горячее формообразование газом. Для этого метода характерно вязкое течение материала, деформация которого увеличивается во времени, достигая большой величины при относительно малых внешних нагрузках. В этой связи расчет давления газа, кинематики течения, предельных деформаций, прогнозирование факторов разрушения заготовки и, следовательно, качества изделия являются основными технологическими задачами [1-11]. Расчетная схема формообразования сферической оболочки показана на рисунке 1. Механическое состояние деформируемого материала описывается уравнением [1] , (1) где – интенсивности напряжений, деформаций и скорости деформаций в любой точке зоны деформирования материала; –температурные константы. Положим, что на произвольном этапе формообразования скорость движения точек купола определяется выражением: (2) Здесь – половина угла раствора оболочки и угол, определяющий положение точки в это время; – скорость точки в радиальном направлении; – текущее и конечное время формирования купола; – конечная высота оболочки. Напряженное состояние заготовки является плоским и компоненты скоростей деформаций и деформаций, следовательно, можно записать, как (3) , (4) где – соответственно деформации и их скорости в точке оболочки в меридиональном и окружном направлениях и по толщине стенки на рассматриваемом этапе. Интенсивности скоростей деформаций и деформаций, учитывая выражения (3) и (4), запишем в виде: . (5) Рисунок 1. Расчетная схема формообразования купола Если уравнение траектории движения точки купола оболочки , то текущая толщина в любой точке стенки на любом этапе: (6) что определяется интегрированием уравнения Интенсивность напряжений определяется уравнением (1) при подстановке выражений (5), т.е. (7) Для оценки давления газа на этапе операции воспользуемся энергетическим методом расчета [3]. Учитывая соотношения (5),(6),(7), запишем энергетическое неравенство: Отсюда при подстановке соотношений (2), (5) – (7), следует, что: (8) Зависимость (8) определяет давление газа на произвольном этапе формообразования. При формообразовании происходит потеря сплошности материала заготовки. В вершине купола, где возможно разрушение, интенсивности скоростей деформаций, деформаций и напряжений определяются зависимостями (5) и (7) при . Оценим сплошность материала в этой точке. По энергетической теории здесь Отсюда получим, что: (9) где . По деформационной теории (10) Здесь – соответственно работа внутренних сил к моменту разрушения и предельная интенсивность деформаций. Критические режимы следуют из зависимостей (9), (10) при Отметим, что необходимые для расчета константы уравнений для ряда материалов приведены в работах [1, 2]. Формообразование оболочек производилось на гидропрессе в изотермическом блоке. Использовался инертный газ аргон, подаваемый от баллона высокого давления. Температура нагрева титанового сплава составляла 900°С; алюминиевого - 450°С. Графики давления газа при формообразовании полусферических оболочек диаметром 500 мм из титановых сплавов (типа ВТ14) и алюминиевых (типа AMr6) из листов толщиной 5 мм приведены на рисунке 2. Рисунок 2. Графики давления газа при формовке купола полусферы из сплавов ВТ14 (1), AMr6 (2) и изменения толщины оболочки в куполе из сплавов ВТ14 (3) и AMr6 (4) На рисунке 3 показаны отформованные заготовки полусферических оболочек из титанового сплава ВТ23 с диаметром полусферы 600 мм, толщиной стенки купола 0,45-0,5 мм (исходная толщина листа 1,5 мм). Рисунок 3. Полусферические оболочки, отформованные газом Процесс зависит от скоростных условий обработки (роста давления газа во времени).Увеличение скорости вызывает повышение давления и обусловливает высокую степень неравномерности толщины по образующей. Уменьшение скорости приводит к перегреву, росту зерна металла, накоплению внутренних дефектов. В связи с этим необходимо обеспечивать оптимальную длительность процесса формообразования: для титана – 0,2…0,3 ч, для алюминиевых сплавов – 0,15…0,25 ч. После формообразования осуществляется выдержка во времени под давлением газа (термофиксация полусферы). Имеет место значительная разнотолщинность стенки по образующей на участке от радиуса фланца до центра купола: отношение конечной толщины к исходной для оболочек из сплава ВТ23 составляло в среднем 2,5, а для оболочек из сплава AMr6 – 3. Выводы 1. Оболочки сложных форм из высокопрочных сплавов эффективно изготовлять деформированием газом в условиях ползучести материалов. 2. Технологические режимы процесса (давление, деформации, длительность) и прогнозируемое разрушение при формообразовании устанавливаются на основе методов механики деформируемого тела.