Широкое применение в различных отраслях машиностроения, в том числе и аэрокосмической, нашли конические осесимметричные детали, для изготовления которых широко используются методы обработки металлов давлением.

Зачастую использование существующих технологических процессов приводит к неоправданно большим затратам средств на изготовление.

Существующее многообразие конических деталей изготавливается с помощью следующих основных технологический решений [8,9]:

1. механическая обработка;

2. ротационная вытяжка;

3. сварка из листового металла;

4. штамповка взрывом

5. штамповка импульсным магнитным полем;

6. штамповка эластичной средой;

7. штамповка пластичной средой;

8. инструментальная штамповка.

1.1 Механическая обработка

Механическая обработка применяется, как правило, для изготовления небольших деталей с относительной толщиной стенки (отношение средней толщины детали к большему диаметру основания детали) больше 0,1, что в первую очередь объясняется широким распространением универсального токарного оборудования.

Отличительной особенностью механической обработки является низкий коэффициент использования материала (может быть меньше 5%). В связи, с чем заготовку под механическую обработку получают с помощью других технологических решений (например, инструментальной штамповкой).

1.2 Ротационная вытяжка

Ротационное выдавливание (ротационная вытяжка) применяется в мелкосерийном производстве, в случае, когда изготовление штамповой оснастки экономически не выгодно, а также при изготовлении деталей с выпукло-вогнутой формой образующей, съем которых с пуансона затруднен. Как правило, поверхность деталей полученных ротационным выдавливанием является волнистой и соответствует 6-7 классу чистоты [8].

Различают прямое и обратное ротационное выдавливание. В первом случае направление течения металла совпадает с направлением перемещения ролика, во-втором - не совпадает. Для изготовления конических деталей применяют прямое ротационное выдавливание.

За один переход возможно изготовление детали с отношением большего к меньшему диаметру 0,2 -0,3. Для получения деталей с большим отношением осуществляется несколько последовательных операций на разных оправках, но при одном и том же наименьшем диаметре оправки.

В ходе обработки металл детали значительно утоняется и наклепывается, чем при вытяжке на прессах, поэтому детали, выдавливаемые за несколько операций, обычно подвергают промежуточному отжигу.

Наряду с простотой оснастки, универсальностью давильного инструмента и оборудования процесс ротационного выдавливания характеризуется невысокой (по отношению к инструментальной штамповке) производительностью и требует большого опыта и затраты больших физических усилий от рабочего. В случае изготовления деталей без ЧПУ для автоматизации процесса широкое применение нашли специальные приспособления (рисунок 1) [1] и станки с ЧПУ (рисунок 2).

Рисунок 1 - Схема устройства для ротационной вытяжки с копиром в виде усеченного конуса смонтированного на осевом прижиме

Рисунок 2 - Схема ротационного выдавливания полых деталей на станке с ЧПУ

1.3 Сварка из листового металла

Сваркой из листового металла можно получить простые по форме детали с прямолинейной образующей. Крупногабаритные детали с криволинейной образующей, как правило, получают за счет последующего формоизменения сварной заготовки, динамическим деформированием, не большие - штамповкой эластичной средой и инструментальной штамповкой. Типовой технологический процесс в этом случае включает операции раскроя заготовки, раскатку на роликовой гибочной машине, сварку и калибровку (в случае изготовления деталей с криволинейной образующей - штамповку). Для повышения точности формы детали применяют термофиксацию. Термофиксация широко используется при получении упрочненных волокон и пленок, а также улучшает их формоустойчивость и приводит к увеличению размеров подвижных структурных элементов, однако многократные стирки или длительное нагревание волокон обычно приводят к усадке и изменению заданной формы изделий. Термофиксация проводится в горизонтальных автоклавах, в которые устанавливаются транспортные тележки с волокном. Фиксация проводится при температуре 120 - 130 С в атмосфере пара. Для лучшего проникновения пара в толщу намотки волокна попеременно проводятся операции вакуумирования и пуска пара через каждые 20 мин.

Существенным недостатком изготовления деталей сваркой из листа является наличие сварного соединения с сильно отличающимися механическими свойствами. Недостатком технологического решения может также являться низкая производительность и сложность осуществления автоматизации сварки детали встык. В случае изготовления тонкостенных деталей также возникает проблема прожигания металла. Вместе с тем решение является универсальным и доступным.

1.4 Штамповка взрывом

Различают несколько видов штамповки в зависимости от типа взрывчатого вещества (рисунок 3). Штамповка с применением:

- бризантного взрывчатого вещества (контактная и бесконтактная),

- с применением пороховых зарядов,

- газовых смесей или сжиженных газов.

При бесконтактной взрывной штамповке заряд с заготовкой и матрицей погружается в специальную емкость с жидкостью (рисунок. 3, а).

Между заготовкой и полостью матрицы создается вакуум. Заряд размещается на некотором расстоянии от поверхности заготовки. При его подрыве возникает импульс давления высокой интенсивности, который распространяется в жидкости со скоростью 1450 м/сек. В результате в районе расположения заряда образуется газовый пузырь, который, пульсируя (расширяясь и сжимаясь), вызывает дополнительные импульсы давления, величина которых меньше основного импульса давления. В ходе колебаний пузырь перемещается к поверхности жидкости, а оставшаяся энергия вместе с частью жидкости выплескивается в атмосферу.

Рисунок 3 - Схема процесса взрывной штамповки

Примерно 60% выделившейся энергии приходится на основной импульс давления, 25% - на первые колебания газового пузыря и остальные 1-5% - на последующие. Энергия, преобразуемая в механическую работу деформации, зависит от взаиморасположения заготовки, заряда и поверхности жидкости, так как газовый пузырь для каждого заряда имеет вполне определенные размеры. Для получения взрывной волны нужной формы часто заряд, необходимый для деформирования заготовки, разбивают на отдельные части, располагая их так, чтобы можно было получить наибольший эффект. Глубина погружения заряда должна быть больше максимального радиуса газового пузыря, который соответствует первому периоду колебаний. Для бесконтактной взрывной штамповки используют тринитротолуол, тетрил, пентолит, динамиты и жидкие взрывчатые вещества.

Как правило, штамповку производят в открытых емкостях - естественных (озеро, река) или искусственных (железобетонных и земляных бассейнах). Иногда используются закрытые емкости и бассейны одноразового действия. В последнем случае стенки бассейнов при взрыве либо полностью разрушаются, либо откидываются (стенки крепятся легкосъемными элементами и гибкими связями).

При контактных операциях взрывной штамповки (рисунок 3, б) заряд расположен непосредственно на заготовке.

Штамповка порохами и газами осуществляется в закрытых емкостях. Энергия взрывчатого вещества передается заготовке либо непосредственно, либо через промежуточную среду. На рисунке 3 представлены схемы деформирования заготовки с помощью энергии пороха (рисунок 3, в) и газовой смеси (рисунок 3, г).

Важными преимуществами штамповки газовыми смесями является равномерность нагружений поверхности заготовки при взрыве, возможность автоматизации процесса. Существенным недостатком штамповки газовыми смесями является повышенные требования к технике безопасности.

1.5 Штамповка импульсным магнитным полем

Сущность процесса штамповки импульсным магнитным полем (ИМП) заключается в следующем. При импульсном разряде электрического тока высокого потенциала на катушку в ней образуется мощное магнитное поле, которое, распространяясь, встречает на своем пути заготовку. Возникающие на поверхности заготовки вихревые токи образуют свое магнитное поле, которое, взаимодействуя с первичным полем, вызывает эффект «отталкивания» заготовки от витков катушки. Если на пути движения заготовки установить матрицу или оправку, то заготовка соответствующим образом будет деформироваться [2]

Существует и другая схема создания формующей силы, когда через катушку-индуктор и заготовку пропускают противоположные токи обратной полярности. Однако в этом случае сложно осуществить надежный контакт между заготовкой и оправкой, нарушение которого приводит к возникновению дуги разряда.

Вытяжка деталей с помощью ИМП по схеме напряженно-деформированного состояния представляет собой штамповку заготовок эластичным пуансоном по жесткой матрице. В данном случае можно создать вполне определенное неравномерное силовое поле, в результате чего достигаются в заготовке различные степени деформации, отличные от обычной схемы. Например, в центре заготовки, где обычно наблюдается большое утонение, можно создать «провал» напряженности магнитного поля, т.е. усилие деформирования в этом районе заготовки будет значительно меньше, чем в других, что очень важно для повышения предельных степеней деформации. Неравномерность магнитного поля достигается путем разработки индукторов с неравномерным распределением витков или применения обычных, универсальных индукторов с концентраторами поля. Концентраторы представляют собой металлические вставки различной формы, изготовленные из материала с хорошими электрическими свойствами (например, из сплава меди с бериллием). Их принцип работы основан на использовании эффекта увеличения плотности тока, а, следовательно, и напряженности магнитного поля, на участках концентратора, наиболее близко расположенных к поверхности заготовки.

Применяя описываемый способ, можно штамповать малопластичные и высокопрочные материалы, а также достигать более высоких степеней деформации за один переход и точности выполнения контуров деталей. Другими достоинствами являются универсальность оборудования, минимальное время на переналадку, простота оснастки по конструкции. Сравнительная безопасность процесса позволяет производить разнообразную расстановку оборудования на участке, непосредственно в цехе, легко осуществлять механизацию и автоматизацию процесса.

Вместе с этим деформирование ИМП имеет и свои недостатки: зависимость силы электромагнитного воздействия от электропроводности материала заготовки затрудняет штамповку относительно плохо проводящих материалов, а сложность реализации больших запасов энергии ограничивает возможность деформирования заготовок больших габаритов.

1.6 Штамповка эластичными средами

При штамповке эластичным пуансоном по жесткой матрице в качестве пуансона применяется обычно резина или жидкость. При этом удельное давление жидкости или резины, необходимое для деформации, создается или давлением ползуна пресса, на контейнер с резиной, или гидростатическим давлением жидкости, подаваемой насосами в полость контейнера, или давлением, созданным электрогидроударом и взрывом.

Рассмотрим схему такой вытяжки (рисунок 5). Усилие Р, необходимое для формоизменения, может быть определено по формуле:

P_q = qS, (1.1)

где q - гидростатическое давление резины или жидкости;

S - площадь проекции свободной поверхности заготовки на горизонтальную плоскость.

Со стороны заготовки формоизменению будут противодействовать следующие силы:

F₁ - сила трения на вытяжном ребре матрицы;

F_q - сила трения от дополнительного прижима заготовки давлением резины к закруглению матрицы и внутренней ее полости;

F₂ - сила трения от прижима фланца заготовки к матрице;

P_д - сила сопротивления фланца заготовки объемно-пластическому деформированию;

P_г - усилие, вызванное изгибом заготовки вокруг ребра матрицы.

Вытяжка с пластическим деформированием фланца становится возможной, если усилие P_q не приводит к разрушению не защемленной (центральной) части заготовки и превосходит сумму всех противодействующих сил:

P_q>P_д+P_г+F₁+F₂+F₃ (1.2)

Если P_q меньше суммы всех сил, то вытяжке будет подвергаться только не зажатая часть заготовки, особенно центральная, за счет двухосного растяжения. Это будет вытяжка без перемещения фланца, сопровождающаяся значительным утонением в результате растяжения. В приведенном неравенстве величина слагаемых зависит от соотношения диаметров заготовки и матрицы. Данный метод можно применять для вытяжки сравнительно неглубоких деталей, имеющих следующее соотношение геометрических размеров.

L70t,

где L - наименьший линейный размер детали в плане.

Недостатком этого процесса является то, что при вытяжке эластичным пуансоном отсутствуют силы, удерживающие заготовку от смещения под действием несимметричных сил, возникающих в процессе вытяжки. Неравномерность сопротивления деформированию фланца вызывает неодинаковое прижатие заготовки фланца, неравномерное действие сил трения на вытяжном ребре матрицы, различные толщины заготовки и различные механические свойства на отдельных участках заготовки. При вытяжке жестким пуансоном вредное влияние указанных факторов легко устраняется противодействием трения, возникающего между пуансоном и заготовкой. Смещение и утяжка заготовки понижают качество детали, увеличивают припуск на обрезку, а в результате уменьшается степень деформации.

Второй особенностью описываемой вытяжки является неравномерность толщины стенки штампуемой детали. Утонение достигает 40-50%, что приводит к браку при более глубокой вытяжке. Это объясняется отсутствием трения между заготовкой и пуансоном, вследствие чего силы, которые воспрепятствовали бы растяжению центральной части заготовки, не возникают и основная деформация происходит за счет ее растяжения.

Штамповка - вытяжка представляет большой интерес для промышленности, и поэтому исследователи стремятся устранить присущие этому процессу недостатки.

Установка для ступенчатой вытяжки эластичным пуансоном (рисунок 4) состоит из контейнера 1, в котором заключена резина или жидкость, корпуса 3, сменной матрицы 4, перемещающегося поршня 2 и штока 6. Если вытяжка осуществляется жидкостным пуансоном, то в контейнер 1 (рисунок 4, а) заливается жидкость, а если резиновым пуансоном, то в него заключается резина (рисунок 4, б).

Рисунок 4 - Схема ступенчатой вытяжки эластичным пуансоном

Рассмотрим принцип действия установки. На съемную матрицу 4 укладывается заготовка 5, которая прижимается нижней плоскостью контейнера 1 к матрице 4. Если полость контейнера 1 заполнена резиной, удельное давление резины, необходимое для формообразования, будет создаваться плунжером 7, передающим давление ползуна пресса верхней открытой части контейнера (рисунок 4, а, б). Перемещающийся поршень 2 занимает положение, когда его верхняя плоскость отстоит от заготовки на расстояние h. В это время жидкость под поршнем перекрыта. Положение поршня регулируется объемом жидкости V₁, нагнетаемой или стравливаемой из цилиндра, находящегося в корпусе 3. Величина h₁ выбирается такой, чтобы центральная часть заготовки под действием гидростатического давления q успела соприкоснуться своим дном с плоскостью поршня, не получив утонения. До соприкосновения с плоскостью поршня заготовка под действием гидростатического давления жидкости изменяет форму по сфере так же, как и при обычной штамповке эластичным пуансоном. Встречая на своем пути плоскость поршня, центральная часть заготовки вступает с нею в контакт. Деформация центральной части прекращается, и гидростатическое давление жидкости сосредоточивается на угловых частях не зажатой части заготовки, вследствие чего происходит вытяжка на глубину h₁ за счет деформации фланцевой части заготовки. Эта часть заготовки прижата к плоскости поршня, поэтому не происходит утяжки и смещения фланца, а также сильного утонения. Таким образом, произведена вытяжка 1-й ступени на глубину h₁ (рисунок 4, б).

Рассмотрим второй этап вытяжки. Открывается сливной кран, жидкость стравливается до объема V2 поршень перемещается вниз на расстояние h_Г. Между дном заготовки и плоскостью поршня образуется новая ступень. Под действием гидростатического давления жидкости вновь повторяется деформация заготовки по той же схеме (рисунок 4, д).

Таким образом, за определенное количество ступеней можно вытянуть деталь со степенью деформации, соответствующей вытяжке в инструментальном штампе. В настоящее время еще нет точных данных для определения величины ступеней h1, h2, h3 поэтому глубину каждой ступени необходимо определять опытным путем на двух-трех первых деталях.

Рассмотренный метод может быть с успехом внедрен в производство, особенно мелкосерийное. Установка носит универсальный характер. Сменным инструментом является лишь матрица, а сокращение средств и времени на изготовление оснастки ускорит подготовку производства.

1.7 Штамповка-вытяжка деталей пластичной средой

При штамповке деталей пластичной средой (свинец, олово, алюминий и др.) пуансон и складкодержатель являются универсальными, а меняется только матрица. В качестве пластичной среды применение нашли следующие металлы: свинец, олово, алюминий. Применяя данный метод, можно производить резку, формовку, гибку и вытяжку. Особый интерес этот метод представляет для операции глубокой вытяжки деталей сложной формы, например ожевальной. Процесс вытяжки пластичным металлом производится по схеме представленной на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема процесса вытяжки металла пластичным пуансоном

Универсальный штамп для вытяжки полых деталей пластичным металлом состоит из трех основных частей: корпуса, или контейнера 1, сменной матрицы 2 и обжимной плиты 6. Корпус 1 заполняется расплавленным свинцом (или другим пластичным металлом) до уровня, при котором возможна фиксация матрицы. После того как пластичный металл застыл, корпус устанавливается на стол пресса. Заготовка 3 укладывается на пластичный металл 4, на заготовку ставится матрица 2. Положение матрицы фиксируется цилиндрической поверхностью корпуса 1, не залитой пластичным металлом. Матрица 2 прижимает заготовку к пластичному металлу (рисунок 5, а), который при рабочем ходе пресса выдавливается в форму матрицы 2. Вместе с ним свертывается и заготовка 3. В этом случае центральная часть пластичного металла, выдавливаемая в рабочую часть матрицы, имеющую форму детали, играет роль универсального пуансона, а периферийная часть пластичного металла роль складкодержателя.

На рисунке 5 б, в показано начало и окончание процесса вытяжки полой конической детали методом штамповки пластичным металлом в универсальном контейнере.

По окончании вытяжки ползун пресса перемещается в верхнее положение вместе с закрепленной к нему матрицей 2. Полученная деталь съемником выталкивается из матрицы и удаляется из полости штампа пинцетом (рисунок 5, г). Деформируемый металл, принявший форму матрицы (рисунок 5, д, г) в таком виде не готов к штамповке последующей детали. Для того чтобы произвести штамповку следующей детали, необходимо придать пластичному металлу первоначальное положение (рисунок 5, а). Для этого в контейнер 1 вставляется обжимная плита, положение которой фиксируется цилиндрической поверхностью корпуса. При давлении ползуна на плиту пластичный металл обжимается, и штамп подготавливается к последующей вытяжке. Технологическая возможность этого процесса при формообразовании сложных полых деталей (конических, сферических, параболических, прямоугольных и др.) значительно шире, чем при вытяжке в инструментальных вытяжных штампах, а также в штампах с использованием резины и жидкости. При штамповке-вытяжке пластичным металлом развиваются очень высокие удельные давления на заготовку (1000-1500 кг/см²). Это происходит по той причине, что для осуществления вытяжки детали необходимо пластически деформировать не только заготовку, но и сам пластичный металл, на что затрачиваются значительные усилия. С одной стороны, это обстоятельство положительно, так как большие удельные давления на заготовку являются благоприятными для формообразования, особенно при деформировании высокопрочных материалов. Высокое удельное давление предупреждает складкообразование, блокирует в продолжение всего процесса вытяжки опасное сечение и тем создает благоприятную схему напряженно-деформированного состояния. В результате можно получать глубокие и сложные по форме детали. С другой стороны, мощность потребного оборудования при удельных давлениях 1000-1500 кг/см² и достаточно больших площадях зеркала контейнера оказывается очень высокой. Это является существенным недостатком данного процесса.

Способ вытяжки деталей пластичным металлом может быть применен для изготовления с нагревом деталей из таких трудно-деформируемых материалов, как сплавы на основе титана, молибдена и др., которые при комнатной температуре практически не деформируются. При такой штамповке заготовка устанавливается на нагретую матрицу, в результате чего заготовка, а также пластичный металл деформируются и приобретают форму матрицы. В качестве пластичного металла в этом случае может быть использован алюминиевый сплав Д16.

2. Существующие программные комплексы для моделирования процессов магнитно-импульсной обработки металлов

На сегодняшний день для исследования существующих и разработки новых технологических процессов обработки металлов давлением успешно применяется компьютерное моделирование. Для этих целей используются программы «тяжелого уровня» или универсальными, способные решать различные связанные задачи и производить фундаментальные исследования.

Кроме того, для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением также применяются и специализированные программы.

2.1 ANSYS