Установка и методика проведения экспериментальных исследований электроимпульсной обработки монтажных заготовок под сборку трубопроводных систем летательных аппаратов

Перспективным направлением интенсификации процессов деформирования трубчатых заготовок является использование эффекта воздействия импульсов электрического тока (ИЭТ), в значительной степени уменьшающего сопротивление металла пластической деформации, повышение пластичности и позволяющего повысить эксплуатационные характеристики деталей путем направленного изменения их структуры и свойств. Важнейшим преимуществом электро-импульсного воздействия (ЭИВ) перед другими способами является кратковременность воздействия импульса тока, за счет чего материал заготовки не успевает разогреться до температур, при которых активизируются процессы диффузии и газонасыщения поверхностных слоев.

Промышленная установка для проведения исследования была создана на ОАО “КнААПО” на базе традиционно применяемого электротехнического и гидравлического оборудования и включила в себя:

• -    пресс, предназначенный для фиксации заготовки;

• -    силовой трансформатор ТОЭСЗ 250/40, обеспечивающий возможность регулирования мощности в широких пределах в зависимости от материала и размерных характеристик заготовки;

• -    прерыватель РКС-601, обеспечивающий управление параметрами импульса тока - амплитудой и напряжением тока, длительностью импульса, паузой между импульсами;

• -    токоподводящие кабели первичной и вторичной сети трансформатора;

• -    электроконтакты, специально спроектированные и изготовленные для обеспечения подвода ИЭТ к трубным заготовкам заданного диаметра;

• -    регистрирующие приборы: ПК с платой АЦП, предназначенный для определения действительного значения полной электрической

  

  Рис. 1. Схема опытно-промышленной установки для обработки ИЭТ трубчатых заготовок:

  1 – пресс; 2 – нижняя плита; 3 – верхняя плита; 4 – винтовая пара; 5 – гидравлический нагружатель; 6 – электроконтакты; 7 – динамометр; 8 – трубчатая заготовка; 9 – силовой трансформатор ТОЭСЗ 250/40; 10 – трансформатор тока; 11 – регулятор контактной сварки; 12 – тиристорный контактор; 13 – ПК с платой АЦП

  
  

энергий в одном периоде сети переменного тока, и трансформатор тока, который подбирался по максимальной величине тока, коммутируемого в первичной цепи.

На рис. 1 показана принципиальная схема экспериментальной установки для обработки ИЭТ заготовок, а на рис. 2 – её общий вид.

При проведении экспериментальных исследований использовался метод математического планирования экспериментов. В случаях решения оптимизационных задач применялось крутое восхождение по поверхности отклика. К значимым факторам относились:

• -    технологические (степень предварительной относительной деформации, степень восстановления ресурса пластичности).

• -    энергетические (уровень УЭЭ, число импульсов тока, паузы между импульсами тока).

Результаты экспериментов обрабатывались с помощью пакета прикладных программ

Рис. 2. Общий вид эксперименталь ной установки

“STATISTICA”, предназначенного для статистической обработки экспериментальных данных на персональном компьютере.

В качестве исследуемых материалов были выбраны титановые сплавы ОТ4-1 и ПТ7М. Влияние электроимпульсной обработки (ЭИО) на пластические и прочностные свойства титановых сплавов оценивалось при различных условиях введения импульсов тока:

• -    до деформации в целях повышения пластичности заготовки;

• -    после определенных степеней деформации в целях восстановления ресурса пластичности;

• -    в процессе деформации в целях периодического снятия деформационного упрочнения;

• -    после заключительной операции процесса деформирования для снятия остаточных напряжений, повышения циклической долговечности деталей.

Оценка влияния предварительной обработки ИЭТ па физико-механические свойства титановых сплавов ОТ4-1 и ПТ7М производилась по результатам испытаний на одноосное растяжение. Трубчатая заготовка закреплялась в специально спроектированном токоподводяшем устройстве и подвергалась электроимпульсной обработке. Импульсный электрический ток вводился в трубчатую заготовку одним импульсом до нагружения. Производилось варьирование уровнем удельной электрической энергии (УЭЭ). Затем из трубчатой заготовки в соответствии с действующими ГОСТами вырезались образцы для испытаний на растяжение, которые выполнялись на универсальной испытательной машине ZD10/10 фирмы “FRITZ HECKERT”.

Для одноосного растяжения определялись величины предела прочности s_в, условного предела текучести σ _0,2, относительного удлинения δ .

В результате выполнения экспериментов был выявлен диапазон УЭЭ от 0,5 до 3 Дж/мм³, в котором наблюдалось повышение пластических свойств до 25% по отношению к исходной величине относительного удлинения d и повышение величины предела прочности σ _в на 9-10% во всем диапазоне УЭЭ, соответствующем диапазону повышения пластичности.

На рис. 3 показано изменение величины относительного удлинения δ , выраженное по отношению к исходному значению δ _и необработанного материала, в зависимости от количества вводимой удельной электрической энергии q :

δ~=δ-δИ δИ .

При дальнейшем увеличении количества вводимой удельной электрической энергии имело место постепенное снижение σ _в до уровня исходного материала. Наблюдалось незначительное снижение величины условного предела текучести σ _0,2 – на 4-5 % по отношению к величине σ _0,2 исходных материалов.

Оптимальное значение УЭЭ, при котором штампуемость титановых сплавов повышалась на 25%, по совокупности всех технологических показателей составило 2,5 Дж/мм3.

При значении УЭЭ выше 3 Дж/мм3 наблюдалось резкое снижение прочности и пластичности обоих сплавов, что обусловлено перегревом образцов в процессе ЭИО.

Определение изменения величин напряжений и деформаций производилось при испытаниях образцов на растяжение с применением

ЭИО в процессе деформирования. Для обеспечения подвода тока непосредственно в зону деформирования захваты испытательной машины изолировались от массы. Образец нагружался до определенного усилия растяжения, после чего подвижная траверса испытательной машины останавливалась и выполнялась ее жесткая фиксация в данном положении. Далее снималось давление с рабочих цилиндров испытательной машины.

На основании данных полученных в результате проведения экспериментов были предложены принципиальные схемы деформирования трубных заготовок с использованием ЭИВ: одноразовая ЭИО трубчатой заготовки до начала деформирования, одноразовая ЭИО между переходами деформирования; введение ИЭТ в трубчатую заготовку непосредственно в процессе деформирования.

Трубчатые заготовки предварительно обрабатывались ИЭТ, после чего заготовки из необработанной и обработанной партий подвергались деформированию до разрушения - появления разрывов, гофров. Определялось значение предельного диаметра средней части трубчатой заготовки.

По результатам замеров был сделан вывод об увеличении диаметров для заготовок, обработанных ИЭТ, по сравнению с необработанными в среднем на 12-14%.

Экспериментально бала опробована раздача трубчатых заготовок из титанового сплава ОТ4-1 с применением ЭИВ в качестве промежуточной обработки между двумя переходами деформирования. Заготовки предварительно деформировались до критических степеней формоизменения, затем подвергались воздействию ИЭТ с целью восстановления ресурса пластичности, и выполнялся

Рис. 3. Зависимость относительной величины относительного удлинения от уровня УЭЭ: 1 – ОТ4-1;  2 – ПТ7М

второй переход деформирования. В результате проведения экспериментов наблюдалось увеличение предельного диаметра средней части трубчатой заготовки на 18-20% по сравнению с раздачей в холодном состоянии. Основным недостатком предложенной схемы являлось то, что для обработки ИЭТ заготовку приходилось снимать с инструмента и перемещать к месту обработки ИЭТ.

Был сделан вывод о том, что целесообразнее и эффективнее с точки зрения производительности исключить, стадию снятия заготовки с инструмента и осуществлять непосредственное введение в заготовку ИЭТ в процессе деформирования. Для реализации этой схемы предложена конструкция штампа для формовки-раздачи трубчатых заготовок из труднодеформируемых сплавов, которая показана на рис. 4.

В результате проведения экспериментальных исследований было оценено температурное влияние ЭИО. Сделан вывод об отсутствии длительного высокотемпературного нагрева при ЭИО и выявлены факторы, влияющие на величину разогрева: количество вводимой УЭЭ, состояние поверхности заготовки.

Известно, что при изготовлении деталей на производстве любое предложение по внедрению новых способов их получения оценивется не только с точки зрения экономичности нового технологического процесса, но и с позиции качества получаемых изделий.

Микроструктурный анализ, проведенный в рамках данной работы, не выявил существенных изменений в структуре исследуемых титановых сплавов, подвергшихся, обработке ИЭТ. Структура соответствует I типу шкалы макроструктур псевдо- α -сплавов и α -сплавов. Она представляет собой мелкие равноосные зерна α -фазы, имеется также переходная зона с корзиночной α -фазы, которая получается при быстром охлаждении из β -раствора после выдержки в промежуточной б + β -области. При “жестких” режимах ЭИО, при увеличении количества вводимой УЭЭ до температур начала рекристаллизации материал приобретает грубую корзи-

Рис. 4. Схема устройства для деформирования трубчатых заготовок при ЭИВ:

1 – матрица; 2 – основание; 3 – образец трубчатой заготовки, 4 – эластичная и сыпучая среда; 5 – тензодатчики для измерения усилия; 6 – датчик для определения величины деформации; 7 – камера тепловизора; 8 – ПК; 9 – трансформатор; 10 – пуансон; 11 – прерыватель тока ночную структуру с крупными равноосными элементами α -фазы и сильно выросшими зернами β-фазы. При дальнейшем увеличении уровня УЭЭ начинается оплавление по границам зерен, возникает литая структура с игольчатыми и пластинчатыми α -кристаллами.

Результаты металлографических исследований показали также, что существенного изменения микротвердости и хрупкости поверхностного слоя сплавов не наблюдается, отсутствует газонасыще-ние, химический состав в поверхностной зоне в пределах нормы.