2.2.5 Высокоэнергетические и специальные методы формовки деталей летательного аппарата из листа и труб
Область применения и технологические особенности высокоэнергетических методов формообразования.
Применявшиеся ранее в самолетостроении алюминиевые и магниевые сплавы в современных конструкциях летательного аппарата постепенно заменяются жаростойкими и нержавеющими сталями, титаном и другими сплавами, имеющими высокие показатели прочности, но низкие технологические свойства. Одновременно, с целью облегчения веса летательного аппарата и уменьшения числа швов, размеры деталей обшивок непрерывно увеличиваются. На современных летательных аппаратах монолитные панели и обшивки длиной 7— 12 м уже не редкость. Все это привело к тому, что усилия, необходимые для формообразования деталей обшивки и каркаса летательного аппарата, возросли во много раз и существующее прессовое оборудование требованиям производства не удовлетворяет. Простое увеличение мощности прессов и оснастки до необходимых уникальных размеров резко повышает себестоимость, но не дает требуемого качества деталей.
Поиски и исследования отечественных и зарубежных заводов, технологических лабораторий и институтов показали, что при небольших объемах производства эффективным решением задачи является применение высокоэнергетических процессов — взрывов бризантных взрывчатых веществ (БВВ), порохов, газовых смесей, электрических разрядов в воде, импульсов мощных электромагнитных полей и др. Такие процессы получили название высокоэнергетических, потому что при взрывах даже незначительных количеств ВВ выделяется большое количество энергии, что позволяет создавать очень большие усилия и давления. Так, например, взрывом только 1 кг тротила можно получить усилие до 100 МН.
Особенно ценны при опытном и мелкосеринйом производствах преимущества высокоэнергетических методов формообразования: невысокие затраты на оборудование и оснастку при хорошем качестве изделий, универсальность оборудования, возможность ведения процесса в вакууме и защитных средах. Кроме того, при высокоэнергетических методах формообразования достигается высокая точность размеров, а это особенно важно при изготовлении деталей из титана и высокопрочных сталей, доводка которых очень сложна и дорога.
Высокоэнергетические методы формообразования деталей из высокопрочных материалов экономичнее других методов при изготовлении небольших серий крупногабаритных деталей, а в ряде случаев конкурируют со штамповкой на прессах и при больших масштабах производства.
2.2.6 Штамповка взрывом бв. Схема и сущность процесса
Схема формовки взрывом бризантного взрывчатого вещества (БВВ) дана на рис. 2.17. Заготовка 2 устанавливается на жесткой матрице 1 и прижимается к ней по периметру складкодержателем 3.
Рисунок 2.17. Схема формовки взрывом БВВ в воде:
1—матрица; 2—заготовка; 3—складкодержатель; 4— антисейсмическая прокладка; 5—бетонная стенка; 6— облицовка из стальных листов; 7—заряд; 8—набор металлических сеток.
Над заготовкой располагается заряд 7, величина которого определяется расчетным путем. Взрывная волна, переданная через воду, нагружает заготовку со скоростью, достигающей нескольких сотен метров в секунду, формуя и калибруя деталь в матрице.
Вместо воды для передачи и распределения по плоскости заготовки энергии взрывной волны могут быть использованы коллоиды, сыпучие вещества или специальные смеси, состоящие из наполнителя (глина, мел), связующих материалов (солидол, машинное масло) и отвердителей (парафин, канифоль). Процесс формообразования взрывом по характеру нагружения заготовки принципиально отличен от формования на гидравлических и механических прессах, на которых в течение всего процесса заготовка нагружена внешними статическими силами, передаваемыми ей ползуном пресса через пуансон или резину.
Рис. 2.18. Последовательность формообразования сферического днища взрывом БВВ в воде: а) вытяжка под давлением ударной волны; б) вытяжка и калибровка под влиянием сил инерции.
В начальный момент действия взрывной волны ее действию противостоят не только внутренние силы сопротивления заготовки, но и в значительно большей степени инерционные силы массы заготовки. При дальнейшем протекании процесса давление взрывной волны уменьшается. Начиная с того момента, когда оно становится равным силам внутреннего сопротивления деформации материала заготовки, дальнейшее деформирование, в том числе и калибровка деталей по матрице, осуществляется, в основном, за счет сил инерции частиц металла заготовки. Это подтверждается наблюдениями за процессом деформации заготовки при формовке взрывом (рис. 2.18).
Под влиянием взрывной волны с фронтом, близким к плоскому, заготовка сначала движется параллельно своему начальному положению, вытягиваясь за счет фланца (рис. 2.18, а). Затем за счет накопленной кинетической энергии она отрывается от волны, вытягивается до соприкосновения с матрицей (рис. 2.18, б) и, ударяясь об нее, калибруется, вдавливаясь в мельчайшие углубления и риски на поверхности матрицы (поэтому при формовке взрывом чистота внутренней поверхности матрицы имеет важное значение).
При определенной скорости (называемой критической), разной для различных металлов, заготовка разрушается в точке удара взрыва, но при скоростях, несколько меньших критических, металлы приобретают повышенные пластические свойства, что происходит, главным образом благодаря высокому гидростатическому давлению (до 200 000 кгс/см2). Это дает возможность формовать детали из хрупких материалов, не поддающихся формовке методами статического нагружения, и принимать большие степени деформации за один переход.
Из-за незначительного пружинения при калибровке взрывом точность деталей значительно повышается. Так как основная по величине, заключительная, стадия деформации заготовки протекает под действием инерционных сил, форма деталей, получаемых из сварных заготовок, сварными швами не искажается; в зоне шва микротрещин и пористости не образуется.
Штамповка взрывом может применяться для вытяжки и калибровки деталей из листа, для кольцевой обтяжки, отбортовки, пробивки отверстий, резки, гибки и т. д., причем некоторые операции можно совмещать. Габариты деталей и усилия при взрывной штамповке почти не ограничены. Наиболее отработаны процессы формовки из листа крупногабаритных деталей, типа целых сферических днищ, отдельных участков сферических емкостей, крупногабаритных жесткостей, монолитных панелей (в том числе, сотовых конструкций), тороидальных поверхностей и т. д. При изготовлении крупногабаритных деталей этого типа калибровка взрывом является единственным методом достижения точных размеров.
Экономический эффект замены необходимых для получения перечисленных деталей сверхмощных гидравлических прессов и многотонных штампов недорогой установкой для формовки взрывом, имеющей лишь одну специальную деталь-матрицу, особенно заметен. Так, стоимость установки для формовки деталей типа сферического днища диаметром 3000 мм в 30 раз дешевле гидравлического пресса соответствующей мощности.
По виду применяемых взрывчатых веществ, штамповка взрывом имеет три основные разновидности; а) штамповка бризантными взрывчатыми веществами (БВВ); б) штамповка порохами; в) штамповка взрывчатыми газовыми смесями.
Бризантные взрывчатые вещества (БВВ) характеризуются мгновенным сгоранием (взрывом) со скоростью детонации 5700—6900 м/с. Процесс горения практически по скорости неуправляем. БВВ используются, главным образом, для взрыва в открытых объемах. К группе БВВ относятся: тротил, аммониты, гексоген, тетранитропентаэритрит и др. Наиболее удобен спрессованный в заряды требуемой формы тротил, подрываемый с помощью электродетонаторов. Из всех БВВ он наиболее изучен и по нему имеются исчерпывающие расчетные данные.
При штамповке взрывом взрывной волне необходимо придать определенную форму. Это достигается соответствующей конфигурацией заряда. Так, цилиндрический заряд создает волну цилиндрической формы, плоский заряд — плоскую волну, сферический заряд — волну сферической формы. Обычно БВВ выпускают в виде детонирующих шнуров, зерен или шашек различной величины и формы, из которых и формуются заряды. В отдельных случаях для придания волне нужной формы применяются комбинированные заряды, составленные из разных ВВ, отличающихся скоростью детонации. Форму взрывной волне можно придать также, применяя коммулятивные заряды (имеющие направленный взрыв) или локализаторы — устройства, ограничивающие зону действия волны. К взрывчатым веществам предъявляются требования: безопасность в обращении, стабильность свойств, простота возбуждения взрыва, невысокая стоимость и влагоустойчивость.
Установки для штамповки взрывом БВВ.
Крупные и средние детали формуются открытым или полузакрытым методом на полигонах в бассейнах или в наземных резервуарах. Полигон для формовки взрывом оборудуется бассейнами различных габаритов, площадками для открытой штамповки на воздухе, помещениями для штамповки небольших деталей порохами, складами ВВ и подсобными помещениями.
Бассейн (рис. 2.18) представляет собой цилиндрический или пирамидальный приямок с бетонными стенками 5, облицованными стальными листами 6. Облицовка защищает бетон от раскрашивания. Между облицовкой и бетоном укладывается антисейсмическая прокладка 4 (песок, дерево). Диаметр приямка составляет не менее 1,5 диаметра штампа.
Высота столба воды hi над зарядом берется в 1,5—2 раза больше расстояния hz от заряда до заготовки. Столб воды над заготовкой должен быть достаточно велик, чтобы нейтрализовать действие волны разряжения, отраженной от свободной поверхности. Расстояние h2 берется равным 0,5—0,6 диаметра формуемой детали. Для уменьшения выброса воды в бассейн опускается набор восьми металлических сеток. Сетки не мешают выходу газообразных продуктов взрыва, но задерживают массу воды. Для заполнения и слива воды бассейн снабжен насосной установкой. Для отсоса воздуха из пространства между заготовкой и матрицей установка оборудована вакуум-насосом. Если при штамповке деталь не касается стенок и дна матрицы, то отсос воздуха не обязателен. Если деталь должна отформоваться по поверхности матрицы, то неотсосанный воздух, не успевая полностью выйти из нее, обжигает деталь и искажает ее форму. Вакуум должен быть не менее 10-1 . . . 10-3 мм рт. ст. Если толщина s листа заготовки больше 0,01, ее диаметра D, то отсос воздуха можно заменить сверлением отверстий в теле матрицы для выхода воздуха.
В качестве заполнителя бассейна может быть использована любая жидкость. Чем больше удельный вес передающей среды, тем больше коэффициент использования энергии взрыва. При передаче через воздух этот коэффициент равен 4%, а при передаче через воду — до 33%. Обычно используют воду. Разлет ВВ и осколков детонатора при этом минимален и поражение ими обслуживающего персонала исключается. Шум при формовке взрывом в воде не превосходит шума от обычного кузнечно-прессового оборудования.
Матрицы для формовки взрывом з зависимости от объема производства материала, толщины заготовки и вида формообразования (с калибровкой или без калибровки) делают из стали, чугуна, цинковых сплавов, бетона и других материалов.
Если матрица используется для калибровки, ее рабочая поверхность должна быть очень чистой, так как малейшие неровности, риски и даже капли воды, попавшие на матрицу, отпечатываются на поверхности детали. Для получения высокой чистоты поверхности детали в ряде случаев после каждого подрыва поверхность матрицы обрабатывают пескоструйкой и полируют абразивным порошком. Рабочие поверхности бетонных матриц облицовываются стекловолокном.
Рисунок 2.19. Штамп для формовки взрывом БВВ в установке бассейного типа:
а—конструкция штампа; б—формуемая деталь; 1—рым; 2—кольцо; 3—матрица; 4—штуцер; 5—выталкиватель; 6—манжета; 7—фиксатор; 8—корпус
Во избежание искажения при импульсных нагрузках, матрицы должны иметь значительный (10—13-кратный) запас прочности.
Матрицы из цинковых сплавов применяются при штамповке небольших партий деталей из листов малых толщин (не более 3 мм), когда формующие усилия не превышают ов цинкового сплава. У цинковых сплавов имеется свойство самосмазки, что уменьшает потребное количество смазки на вытяжных радиусах. Минимальная толщина стенок матрицы — 200 мм. Получают матрицы литьем по модели штампуемой детали.
Матрицы из стали и ковкого чугуна применяют, когда партия деталей большая, толщина заготовки доходит до 3 мм, а в теле матрицы имеются участки концентрации напряжений.
Для крупногабаритных матриц применяется среднеуглеродистая и низколегированная стали.
На рис. 2.19, а дан пример конструкции штампа для формовки деталей из жаропрочной стали ЭИ878 толщиной 2,5 мм (рис. 2.19, б). Для возможности съема готовой детали, имеющей уширение в средней части, матрица 3 собрана из двух половин, взаимно ориентируемых фиксаторами 7. Своей наружной конической поверхностью (угол конуса 3°) матрица входит в имеющий ответный конус корпус 8 штампа, откованный, как и матрица 3, из стали 5ХНВ и стянутый кольцами 2.
Для повышения ударной вязкости матрица термически обработана до HRC = 40—45. Воздух из пространства между заготовкой и матрицей отсасывается через штуцер 4. Верхний торец штампа герметизирован резиновой манжетой 6. Для съема отформованной детали штамп вынимается из бассейна за рымы 7, а матрица выпрессовывается из корпуса выталкивателем 5.
Матрицы из бетона и пластмасс применяются при изготовлении деталей по единичным заказам или при формовке тонколистового металла с низкими значениями σs.
Для предупреждения складкообразования по фланцу формуемой детали на матрице устанавливается прижим или вытяжное кольцо. Прижатие осуществляется болтами, гидравлическими скобами, гидравлическими рычажными зажимами или гидроцилиндрами, оттягивающими прижимное кольцо вниз. Если формовка должна выполняться с подогревом заготовки, то вместо воды в качестве передающих сред могут быть использованы другие среды.