Совершенствование способа получения заготовок полусфер из труднодеформируемых титановых сплавов для ёмкостей высокого давления специальных изделий техники

В мировой практике широкое применение получили ёмкости высокого давления из титановых сплавов, в т. ч. работающие в криогенной среде при высоких давлениях [1]. Типовая конструкция шаробаллона приведена на рис. 1. Основной деталью ёмкостей высокого давления является полусфера, к которой, учитывая особый функционал ёмкостей, предъявляются высокие требо- вания при изготовлении.

Рис. 1. Типовая конструкция титанового шаро-баллона: 1 — фланец с опорой; 2 — полусферы; 3 — фланец с наконечником (рисунок создан авторами)

АО «КБХА» разработаны и используются специализированная оснастка и перспективный метод получения заготовок полусфер из труднодеформируемых титановых сплавов ∅377 и 644 мм для ёмкостей высокого давления объёмом 25 и 130 л соответственно — листовая штамповка с подогревом заготовки и штамповой оснастки, с обеспечением минимального припуска под механическую обработку по внутреннему и наружному контуру деталей. Особенности технологий, применённых при производстве ёмкостей высокого давления из титановых сплавов, неоднократно обсуждались в профессиональном сообществе и рассматривались на научно-технических конференциях различного уровня [2, 3]. Используемые инновационные решения при изготовлении полусфер из титановых сплавов методом горячей листовой штамповки и специализированная оснастка позволили получить в процессе формообразования полусферы из листового материала с максимальным утонением до 8% в отличие от традиционных 12%, что позволило применить титановый лист, выпускаемый отечественным предприятием ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» (г. Нижняя Салда), и дало возможность отказаться от дорогостоящих покупных заготовок и штампов, существенно повысить коэффициент использования материала и сократить трудоёмкость механической обработки. Предложенный способ изготовления полусфер из титановых сплавов методом горячей листовой штамповки является наиболее эффективным из применяемых в настоящее время в промышленности и зафиксирован в ряде патентов [4–6].

Несмотря на это, постоянно проводятся работы по повышению технологичности, коэффициента использования материала, по усовершенствованию конструкции и технологии изготовления сложных изделий техники.

Известен высокоэффективный технологический процесс пластического формоизменения вращающейся заготовки при помощи одного (или нескольких) деформирующих роликов, посредством которого можно из простейших заготовок (листового проката и труб) получить детали сложной формы без применения глубокой многопереходной вытяжки на прессах, сварки и механической обработки — ротационная вытяжка (РВ) [7].

АО КБХА предложило способ и технологию изготовления титановых полусфер методом РВ.

Существует два способа изготовления полусфер методом РВ: обкатка и раскатка. При выполнении обкатки заготовки происходит деформирование материала без изменения исходной толщины. В случае обработки заготовки полусферы методом раскатки происходит утонение исходного материала. Для использования рассматриваемых методов получения полусфер необходима проточка переменной толщиной и высокоточная калибровка заготовки.

Отработку РВ полусфер предлагается выполнять по схеме, представленной на рис. 2. При РВ сферических деталей исходной заготовкой может быть листовой полуфабрикат, полученный штамповкой-вытяжкой или РВ без утонения, или механически обработанная поковка в виде чашки. Чашеобразный полуфабрикат имеет дно переменной толщины (полученное механической обработкой)

и криволинейный борт постоянной толщины. Также должно быть обеспечено строгое соответствие между толщиной детали и заготовки по соотношению, называемому «законом синуса»:

Sд = Sз ∙ sinα, где Sд — толщина детали; Sз — толщина заготовки; α — угол между образующей детали и осью вращения.

Несоблюдение этого соотношения приводит к разрушению заготовки.

Для изготовления полусфер методом РВ потребуется следующая технологическая оснастка:

• •    оправа для получения полуфабриката под РВ;

• •    токарное приспособление для проточки заготовки под раскатку;

• •    оправа для ротационной раскатки полусферы;

• •    раскатной ролик;

• •    токарное приспособление для обработки внутренней поверхности полусферы участка из-под прижима;

• •    токарное приспособление для наружной обработки полусферы участка из-под прижима;

• •    штамп для калибровки (при необходимости, по результатам отработки);

• •    токарное приспособление для окончательной обработки полусферы.

Рис. 2. Принципиальная схема раскатки полусфер (рисунок создан авторами)

Для подтверждения возможности получения заготовок из титанового сплава методом РВ АО КБХА, совместно с фирмой Leifeld Metal Spinning GmbH (Германия), была проведена экспериментальная работа по ротационной вытяжке заготовки из листа ВТ6С толщиной 3 мм и ∅320 мм (рис. 3). Работы выполнялись на станке для РВ (модель PNC 220 XS), с использованием имеющейся в наличии оправы для РВ и раскатного ролика.

а)

б)

Рис. 3. Ротационная вытяжка (РВ) заготовки на раскатном стане: а — заготовка до РВ; б — заготовка после РВ; 1 — заготовка из титанового сплава ВТ6С толщиной 3 мм и ∅ 320 мм; 2 — ролик; 3 — заготовка сферической формы (фотографии сделаны авторами)

В процессе раскатки была получена опытная заготовка (рис. 4, а ), но так как выполнялась холодная вытяжка титанового листа, произошло разрушение материала в нерабочей зоне заготовки на её технологическом припуске.

Были проведены металлографические исследования полученной методом РВ заготовки из труднодеформируемого сплава ВТ6С, определён фазовый состав материала. Микроструктура основного материала является двухфазной, состоящей из α - и β -фаз титана, что характерно для сплава ВТ6С. Структура соответствует 2–3-му типу согласно шкале микроструктур ( α + β )-сплавов отраслевого стандарта ОСТ 92-9465-81 [8] (рис. 4, б ), что соответствует предъявляемым к изделию требованиям.

В месте разрушения заготовки на технологическом припуске излом имеет кристаллическое волокнистое строение, ориентированное перпендикулярно направлению пластической деформации исходной листовой заготовки; имеет фасетки и ровные кромки, что соответствует хрупкому характеру излома; макростроение излома однородно — дефектов металлургического характера не обнаружено, следов усталостного разрушения не обнаружено. Фрактографическое исследование излома свидетельствует о мгновенном механизме разрушения, не связанном с качеством материала заготовки. Разрушение произошло при приложении тангенциальных напряжений, превышающих предел прочности материала.

а)

Увеличение х500

б)

Рис. 4. Заготовка из титанового сплава ВТ6С: а — вид заготовки после ротационной вытяжки; б — микроструктура основного материала заготовки (фотографии сделаны авторами)

Для исключения разрушения заготовки из титанового сплава толщиной до 3 мм в процессе РВ целесообразно использовать раскатной стан СРВ-1200 (рис. 5) разработки АО «НПО «Техномаш» (г. Москва) [9, 10], с использованием РВ двумя давильно-раскатными роликами [11].

Рис. 5. Стан ротационной вытяжки СРВ-1200 [9]

Дальнейшие работы по РВ заготовок из титановых сплавов толщиной более 3 мм целесообразно проводить с использованием раскатного стана с адаптированной системой нагрева заготовки в процессе РВ. Так как у фирмы Leifeld Metal Spinning GmbH (Германия) [12] имеются технические решения по раскатке заготовок c подогревом (рис. 6), можно прогнозировать положительный результат раскатки заготовок из титановых сплавов толщиной более 3 мм.

Рис. 6. Формообразование заготовки на раскатном стане Leifeld с адаптированной системой нагрева (фотография сделана авторами)

Учитывая, что микроструктура сплава ВТ6С представляет собой пластичноигольчатую a -фазу, разделённую прослойкой P -фазы ( а + в ) для получения наибольшей пластичности, необходимо, чтобы температура нагрева заготовки перед формообразованием была меньше на 90 ° С начала превращения структуры ( а + в) в в -фазу.

Основным преимуществом способа получения заготовок методом РВ является снижение стоимости подготовки производства за счёт уменьшения количества необходимой оснастки (по сравнению со штамповкой), снижение трудоёмкости изготовления и повышение технологичности за счёт лучшей управляемости процессом формообразования.

заключение

Для изготовления полусфер методом ротационной вытяжки из материалов с низким относительным удлинением, коэффициентом штамповки и сужением менее 7%, необходимо операции формообразования выполнять с нагревом и подогревом заготовки.

Результаты экспериментальных работ, проведённых АО КБХА совместно с фирмой Leifeld Metal Spinning GmbH (Германия), подтвердили практическую возможность применения способа ротационной вытяжки при изготовлении полусфер из труднодеформируемых титановых сплавов.

Дальнейшее совершенствование способа получения полусферических заготовок и внедрение инновационных технологий в производство ракетнокосмической техники обеспечит необходимые технические характеристики и высокий уровень надёжности, соответствующий требованиям, предъявляемым к изделиям специальной техники, а также снижение себестоимости производства и возможность применения этой технологии в народном хозяйстве.