Краткая характеристика материалов используемых для изготовления элементов конструкции ла методами пластического формообразования

Материалы для изготовления элементов конструкции ЛА наравне с конструкционными требованиями должны отвечать ряду технологических требований (штампуемости, свариваемости, обрабатываемости резанием)

В качестве основных конструкционных материалов в ЛА применяют алюминиевые, титановые сплавы, а также коррозионно-стойкие и прочные стали на основе железа.

Наиболее распространенными алюминиевыми сплавами являются: Д16, В95, АМГ-6, АК-6.

Сплав Д16 относится к наиболее отработанным конструкционным материалам. Он легирован медью 4% и магнием 1,5%. Упрочняется термообработкой при температуре 500⁰С. σ_В = 420 МПа; σ_S = 280 – 290 МПа; δ = 11%

При штамповке может подвергаться значительным деформациям в отожженном и свежезакаленном состоянии, а в состаренном состоянии подвергается незначительным деформациям.

Сплав В95 – более прочный, термообработка при температуре 470⁰С с последующим старением при температуре 140⁰С. σ_В = 500-550 МПа;

σ_S = 410-420 МПа; δ > 10%.

Сплав легирован медью, магнием 2,3%, цинком 6%. Удовлетворительно штампуется в свежезакаленном и отожженном состояниях (в течение 6 часов).

АМГ-6 – термически не упрочняется, сплав легирован магнием (6%),

σ_В = 320 МПа; σ_S = 160 МПа; δ >= 15%. Хорошо сваривается. В отожженном состоянии хорошо штампуется, хорошо поддается формообразующим операциям -изгибу, вытяжке, отбортовке. Для снятия упрочнения применяется рекристаллизационный отжиг при температуре 320-335⁰С.

Из титановых сплавов применяются: ОТ – 4, ВТ-20, ВТ-6, ВТ-15, ВТ-16.

Титановые сплавы, как правило, относятся к труднообрабатываемые процессами обработки давлением материалам. Предел прочности - σ_В=1300 МПа.

В холодном состоянии малопластичные сплавы. Штампуются, как правило, только в нагретом состоянии до температуры 550-600⁰С в среде нейтральных газов.

Жаропрочные стали - применяются в элементах конструкций ЛА, которые работают при температуре более 500⁰С. Широко применяется три вида сталей:

- термически не упрочненные – 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Ти др.;

- стали переходного аустенитно-мартенситного класса СН-2, СН-3, СН-4 и др.;

- мартенситного класса упрочняемые закалкой и старением ВНС-2, ВНС-5 и др.

В целом, жаропрочные стали удовлетворительно штампуются, хорошо свариваются, обладают достаточно высокой прочностью - σ_В=1400 МПа.

В качестве конструкционных материалов используются также композиционные материалы. Наиболее распространенные высокопластичные композиционные материалы, некоторые из них в направлении армирования имеют предел прочности σ_В = 1000 МПа.

Разделительные процессы листовой штамповки

Классификация разделительных процессов листовой штамповки широко применяемых в машиностроении приведена на рис. 2. Перечисленные операции характеризуются отделением одной части заготовки от другой по незамкнутому или замкнутому контуру относятся к резке. В качестве оборудования используются различные типы ножниц, которые могут иметь различную длину режущих кромок ножей и усилие резания.

Рис. 2 Классификация процессов резки листовой штамповки

Физическая природа процесса резки. Процесс резки рассмотрим на примере резки на ножницах (рис. 3) он состоит из ряда стадий (см. рис. 4 а,б,в,г). Аналогичные стадии, связанные с отделением одной части металла от другой, наблюдаются и при других операциях приведенных на рис. 2. аналогичную конфигурацию имеет и срез.

Рис. 3 Технологическая схема операции отрезки на ножницах

1 – упор; 2 – верхний нож; 3 – режущая кромка верхнего ножа; 4 - режущая кромка нижнего ножа; 5- прижим; 6 – стол ножниц; 7 – заготовка толщиной;

Верхний нож, опускаясь вниз, вызывает последовательно следующие стадии (рис. 4): а) упругое сжатие; б) пластическое смятие; в) сдвиг; г) разрушение.

Рис. 4 Стадии резки заготовки

а) упругое сжатие; б) пластическое смятие; г) сдвиг; д) разрушение;

ж) график изменения усилия по пути верхнего ножа (1 малопластичный металл; 2 и 3 – пластичный материал)

В разделительных операциях листовой штамповки отделение одной части заготовки от другой осуществляется относительным смещением этих частей в направлении, перпендикулярном к плоскости заготовки. Это смещение в начальных стадиях характеризуется упругим и пластическим деформированием, но завершается разрушением.

Для уменьшения искажения заготовки, вызываемых деформациями, стремятся локализовать очаг пластических деформаций, чему способствует уменьшение радиусов скругления режущих кромок ножей (пуансонов и матриц) и уменьшение зазора Z между верхним и нижним ножом (пуансоном и матрицей).

В начальных стадиях пластическая деформация сосредотачивается у кромок, которые внедряются на некоторую глубину h в металл. Очаг деформаций от режущих кромок увеличивается, продвигаясь в толщину заготовки, до смыквния. Дальнейшее внедрение режущих кромок вызывает пластическую деформацию по всей толщине заготовки, обеспечивающую сдвиг одной части заготовки относительно другой, В этой стадии деформирования имеет место или только пластическая деформация или уже начинается разрушение слоев заготовки, но только тех, которые приходят в непосредственное соприкосновение с режущими кромками.

Благодаря наличию упругих деформаций и повороту заготовки вследствие момента на этой стадии, внедрение режущих кромок вызывает образование гладкого блестящего пояска на поверхности среза за счет сглаживания поверхности заготовки трением о боковую поверхность ножей ( пуансонов и матриц).

Как только будет достигнута предельная величина деформаций в слоях заготовки, расположенных вблизи от режущих кромок, последние разрушаются, образуя трещины, развивающиеся в толщину заготовки. Слияние этих трещин завершает отделение одной части заготовки от другой.

Разрушение начинается не в элементах заготовки, расположенных под (или над) торцем рабочего инструмента, а в элементах, противостоящих свободным поверхностям (при положительном зазоре), где величина сжимающих напряжений меньше. Этим обстоятельством объясняется появление торцевого заусенца, особенно в случае притупления режущих кромок. Этим, также можно объяснить и то , что развивающиеся от режущих кромок трещины наклонены под некоторым углом к линии действия усилия (к оси инструмента).

Однако, слияние трещин может произойти не при всех условиях деформирования. Если принять, следуя методики Романовского В. П., что трещины имеют прямолинейный характер и наклонены под углом к оси инструмента

(рис. 4 г), а глубину внедрения обозначит через h , то величина зазора между режущими инструментами Z, обеспечивающего слияние трещин, идущих от режущих кромок, может быть определена из следующей геометрической зависимости:

, где s – толщина заготовки.

Как показывают экспериментальные исследования, средняя величина колеблется от 4 до 6, уменьшаясь с увеличением прочностных характеристик материала заготовки. В то же время глубина внедрения h до появления трещин колеблется от 0,1 до 0,5 толщины заготовки, увеличиваясь с увеличением пластичности материала заготовки (с уменьшением прочностных характеристик).

Минимальный зазор, обеспечивающий совпадение трещин в разделительных процессах, называют оптимальным зазором.

Уменьшение зазора по сравнению с оптимальным значением приводит к тому, что развивающие трещины не встречаются и поверхность среза получается рваной.

Увеличение зазора относительно оптимального, приводит к увеличению наклона поверхности среза, что вызывает отклонение в размерах заготовки относительно заданных чертежом.

Перечисленные особенности процессов разделения материалов необходимо учитывать при назначении припусков для получения размеров заданных чертежом.

На рис. 4, ж приведены типовые графики изменения усилия по пути пуансона или ножа при разделительных процессах с нормальным и уменьшенным зазором, а также для пластичных и малопластичных материалов. Из графиков видно, что в начальных стадиях деформирования усилие возрастает (упругое сжатие, смятие и образование очага деформаций с врезанием кромок, сдвиг одной части относительно другой). При определенной глубине внедрения инструмента в заготовку усилие резко падает для малопластичных материалов или плавно для пластичных материалов, на графике также показано влияние зазора на значение максимального усилия разделительных процессов.