Просмотреть/Открыть

Вопросы судостроения. Серия: Металловедение и металлургия, 1984, вып.40,
С.44-49.
УДК 621.774.7
А.С. Анищенко, А.П.Андрющенко, М.П. Найденов, Д.И. Чашников
Использование контактных сил трения в штампах для
сверхпластической формовки листовых изделий
1. Введение
Существенным преимуществом процесса пневмоформовки листовых
заготовок является отсутствие в штампах пуансонов, функции которых
выполняет сжатый газ. Достигаемое за счет этого упрощение конструкции
формообразующей
оснастки
расширяет
пределы
рационального
конструирования штампов для пневмоформовки с целью более эффективного
управления течением формуемого металла.
В настоящей работе приведены результаты пневмоформовки в режиме
сверхпластичности сферообразных куполов в штампах, обеспечивающих
снижение разнотолщинности формуемых изделий за счет использования
контактных сил трения между заготовками и инструментом.
2. Материалы и методика исследований
Разнотолщинность оболочек определяли по формуле:
(
)
где Smax, Smin – соответственно максимальная и минимальная толщина стенок
рабочей поверхности оболочки, исключающей поверхность, образованную
радиусом перетяжной кромки матрицы;
Sp – толщина стенки оболочки, определяемая из условия постоянства
объема и идеально равномерной деформации заготовки.
Характер течения формуемого металла оценивали по распределению
относительной толщины S/S0 вдоль контура сферообразных куполов различной
относительной высоты H = h/R (R и S0 – соответственно радиус и начальная
толщина заготовки; h и S – соответственно максимальная высота купола и
толщина его стенки в заданном месте).
3. Результаты и их обсуждение
На рис.1 представлена схема функционирования штампа для газовой
формовки заготовок с ограниченным перемещением фланца [1].
Рис.1 – Схема функционирования штампа для пневмоформовки с
ограниченным перемещением фланца заготовки.
Штамп содержит матрицу, состоящую из стакана 7 и прижимного кольца
8, полый термопрочный вкладыш 4 и крышку, состоящую из резервуара 2 и
прижимного
кольца
3.
Полость
вкладыша
герметично
соединена
с
трубопроводом 1 для подачи сжатого газа. Трубопровод выполнен с
возможностью вертикального перемещения в полости крышки и соединен с
источником деформирующего усилия через канал в крышке. На боковой
поверхности вкладыша имеется паз под заготовку 5, ширина которого равна (с
минусовым допуском) толщине заготовки. В труднозаполняемом месте
матрицы (в данном случае в центре как наиболее глубокой части) выполнено
сквозное отверстие 6, препятствующее образованию «газовой подушки» при
формовке.
Обогрев
штампа
осуществляется
расположенной в штамповом блоке.
системой
электронагрева,
Штамп работает следующим образом. Фланец заготовки плотно загоняют
в паз вкладыша, который затем нежестко прижимают между крышкой и
матрицей, нагретыми до оптимальной температуры. В полость между дном
вкладыша и нагретой заготовкой через трубопровод подают сжатый воздух,
вследствие чего заготовка начинает выдуваться в полость матрицы, а донная
часть вкладыша – в полость крышки. Соответствующим подбором эластичного
термопрочного материала обеспечивают деформацию вкладыша в упругой
области. Увеличение выпучиваемой поверхности вкладыша компенсируется
уменьшением его параметра. В результате боковые стенки вкладыша
подпирают торцы фланца заготовки, поскольку контактные силы трения между
поверхностями вкладыша и матрицы с крышкой достаточно малы.
Нежесткий прижим и смазка на контактирующих поверхностях составных
частей
штампа
обусловливают
формовку
изделия
с
ограниченным
перемещением фланца заготовки. Формоизменение купола происходит с более
равномерным течением отдельных зон заготовки, поскольку значительно
уменьшается влияние изгибающих моментов и более жесткой схемы
напряженного состояния на перетяжной кромке матрицы, и в процесс
деформации вовлекаются прилегающие к фланцу зоны заготовки, что
повышает устойчивость течения деформируемого материала [2].
Результаты пневмоформовки куполов из алюминиевого сплава Амг5М с
торцевым подпором фланцев заготовки показывают, что ограниченное
перемещение
периферийных
участков
заготовок
позволяет
увеличить
относительную толщину куполов S/S0 в полюсе на 10-65 % (в зависимости от
высоты оболочки) практически при той же ее величине в зонах фланца.
Вследствие этого разнотолщинность оболочек δ с ростом относительной
высоты Н уменьшается ан 10-85 % (рис.2).
В проведенных экспериментах использовали вкладыш
из силиконовой
резины типа RTV диаметром 136 мм. В центре вкладыш наплавляли на
металлический штуцер, соединенный с трубопроводом для подачи сжатого
воздуха от баллона. Контакт вкладыша с прижимными плоскостями матрицы и
крышки осуществлялся через слой стеклосмазки [3]. Удельное усилие
смыкания матрицы и крышки не превышало 0,23 МПа при общем усилии 1 кН.
Рис.2 – Зависимость относительной толщины в зонах фланцев (
полюсе куполов (
) и разнотолщинности (
)ив
) от относительной высоты
куполов при различных вариантах пневмоформовки:
● – простейший вариант пневмоформовки; ○ – реверсивная формовка;
▲ – формовка с торцовым подпором фланца.
Формовку заготовок производили при 400 0С. Процесс формоизменения в
предложенном штампе отличался рядом особенностей. Так, чтобы фланец
заготовки не выскальзывал из паза, давление формовки на начальных стадиях
повышали со скоростью не свыше (1-1,5)•10-3 МПа/с. Максимальное давление
сжатого воздуха поддерживали на уровне 0,2 МПа с тем, чтобы высота выдувки
вкладыша была меньше глубины крышки. Формовка давлением до 0,25 МПа
приводила к контакту деформированной полюсной зоны вкладыша с дном
крышки, что сопровождалось, с одной стороны, оплавлением вкладыша, а с
другой – снижением торцевого усилия подпора фланца при дальнейшей
выдувке заготовки.
Оплавление вкладыша являлось основной причиной его преждевременных
разрывов. Однако если речь идет о мелкосерийном производстве листовых
осесимметричных изделий, то невысокая стойкость эластичного вкладыша не
может
являться
сдерживающим
фактором
использования
описанной
штамповой оснастки. В частности, стойкость вкладыша будет значительно
выше при пневмоформовке низкотемпературных сверхпластичных сплавов на
основе цинка, оптимальная температуру которых не превышает 250 0С.
На рис.3 представлена схема штампа для реверсивной спаренной формовки
[4]. Штамп состоит из матриц 1 и 4, расположенных рабочими полостями одна
против другой, и полой прокладки 5, имеющей идентичную с матрицами
конфигурацию в плоскости разъема. Полости матриц и прокладки соединены
каналами через распределитель с дренажной системой и источником
деформирующего усилия (баллоном со сжатым воздухом).
Между матрицами и прокладкой жестко зажимают две заготовки 2 и 3,
которые нагревают до оптимальной температуры сверхпластичности и после
этого полость прокладки соединяют с дренажной системой, В матрицы подают
сжатый воздух и выдувают заготовки в полость прокладки (рис.3, слева). В
зонах контакта заготовок течение соответствующих участков тормозится
силами трения. Формоизменение полуфабрикатов один по другому происходит
за
счет
утонения
свободных
от
контакта
поверхностей,
постоянно
уменьшающихся по направлению вдоль образующей от центра заготовок к
фланцам. Таким образом, на первом переходе формовки интенсивнее
утоняются зоны полуфабрикатов, расположенные между их фланцами и
центром.
На втором переходе сжатый воздух подают в полость прокладки и путем
выворота деформируют полуфабрикаты в полости матриц, соединенные с
дренажной системой. На этой стадии формовки происходит преимущественное
утонение центральных зон изделий вследствие влияния жесткого зажима
фланцев заготовок.
Суммарное распределение утонения стенок изделий при задаваемом
перераспределении деформации заготовок на промежуточном переходе
характеризуется меньшей разнотолщинностью, чем при простейшем варианте
пневмоформовки.
Рис.3 – Схема функционирования штампа для реверсивной спаренной
формовки: слева – первый переход; справа – второй переход.
Реверсивную
спаренную
формовку
куполов
исследовали
при
деформировании сплава АМг6. Изделия формовали при температуре 450 0С,
используя прокладки с глубиной полости, равной половине высоты куполов.
Было
установлено,
разнотолщинность
что
куполов
при
постоянной
оказывает
влияние
глубине
форма
прокладки
на
полуфабриката.
Обнаружилась тенденция, при которой формообразование на первом переходе
полуфабрикатов до геометрических размеров, наиболее близких к форме
цилиндрических стаканов, способствовало более равномерному конечному
распределению толщины в изделиях. Однако существовал предел степени
деформации заготовок на первом переходе, выше которого нельзя было
получить
купола
заданной
геометрической
формы
вследствие
складкообразования при выворачивании полуфабрикатов на втором переходе
пневмоформовки. Так, например, для куполов с относительной высотой Н = 0,6
предельная логарифмическая степень деформации поверхности заготовки на
первом переходе составила 0,12-0,22.
Формовку заготовок в полость прокладки производили давлением сжатого
воздуха
0,3 МПа.
Для
выворачивания
полуфабрикатов
потребовалось
увеличить давление до 0,5-0,7 МПа. Затем его снова понижали до 0,3 МПа,
чтобы можно было производить деформацию заготовок в скоростном
диапазоне сверхпластичности исследуемого сплава.
Как видно на рис.2, наилучшим результатом реверсивной спаренной
формовки явилось снижение разнотолщинности куполов при их рабочей
поверхности (вне зон фланцев) до 10-65 %, т.е. в 1,5-2 раза по сравнению с
однопереходной пневмоформовкой.
Следует отметить, что в штампе для реверсивной спаренной формовки
реализуются фактически два способа снижения разнотолщинности изделий:
реверсивная формовка [5] и формовка в полость заданной глубины [6].
Изделия, полученные в штампе (рис.3), характеризуются менее равномерным
утонением стенок по сравнению с куполами, отформованными в работе [5].
Однако предложенный в данной работе штамп существенно проще, поскольку
в нем нет рифта сложной формы, и более производителен, чем он отличается от
инструмента, воспроизводящего пневмоформовку в полость заданной глубины.
Равномерность утонения куполов при реверсивной спаренной формовке
можно повысить за счет более точного определения для каждого изделия
соответствующей
глубины
прокладки.
Для
получения
стабильных
положительных результатов следует осуществлять реверсивную формовку
идентичных по конфигурации заготовок.
Таким образом, можно констатировать, что конструктивная простота
штампов для пневмоформовки позволяет эффективно использовать контактное
трение для управления течением формуемых изделий.
Список использованных источников:
1.
А.С. №700239. СССР. МПК В21D26/02. Устройство для пневмоформовки
полых изделий из листовых заготовок / Смирнов О.М., Анищенко А.С., Цепин
М.А., Булов Г.А.- Опубл. 1979, БИ №42.
2. Al-Naib I.Y. Superplastic metal forming / I.Y. Al-Naib, J.L. Duncan // Int. J.
Mech. Science, 1970, vol.12, №2.- P.463-477.
3. Смирнов О.М. Анализ влияния контактного трения на пневмоформовку в
режиме сверхпластичности / О.М. Смирнов, А.С. Анищенко, С.Ф. Маринин //
Бюллетень ВИЛС. Технология легких сплавов, 1980, №6. С.-23-27.
4. А.С. №712176. СССР. МПК В21D26/02. Способ реверсивной формовки /
Смирнов О.М., Анищенко А.С., Цепин М.А.- Опубл. 1980, №4.
5.
Смирнов
О.М.
Способы
уменьшения
разнотолщинности
при
пневмостатической формовке куполообразных полых деталей в режиме
сверхпластичности / О.М. Смирнов, В.О. Гук, М.А. Цепин, А.С. Анищенко//
Теория и технология обработки металлов давлением: Сб. науч. тр. МИСиС,1979, №113, С.70-75 .
Охрименко Я.М. Точная штамповка металлов и сплавов в состоянии
сверхпластичности /Я.М. Охрименко, О.М. Смирнов, В.С. Горбунов //
Кузнечно-штамповочное производство, 1972, №8. С.10-12.