Особенности процесса штамповки свинцом полусферических деталей из высокопластичных сплавов для изделий ракетно-космической техники

Применение методов математического моделирования технологических процессов формообразования оболочечных деталей играет важную роль в разработке методов обеспечения качества изделий ракетно-космической техники. В данной работе проведен анализ пластического деформирования свинцом в жесткую матрицу полусферической формы дисковых листовых заготовок из высокопластичного алюминиевого сплава АД1М.

Изучаемый тип деталей входит в состав изделия, подвергающемуся высоким знакопеременным нагрузкам, а также определяет стабильность и безотказность работы узла. Вследствие чего предъявляются повышенные требования к качеству деталей. Одним из ключевых условий при проектировании технологического процесса изготовления является толщина купольной части получаемого изделия (критическое сечение). При расчетах размеров заготовки необходимо увеличивать толщину заготовки в связи с утонением в купольной части при использовании классических технологий листовой штамповки (инструментальный штамп), что непосредственно сказывается на проектировании технологического процесса (наличие дополнительных затрат времени и ресурсов). Также необходимо учитывать прочностные свойства материала в процессе пластического деформирования, что в свою очередь оказывает влияние на этапе изготовления и обеспечения качества детали.

Применение свинца в качестве деформирующей среды в процессе штамповки является перспективным направлением улучшения массовых и прочностных характеристик деталей, применяемых в ракетно-космической отрасли, а также обеспечивает более равномерный характер распределения толщины стенки по сравнению с аналогичными деталями, например, полученными штамповкой в инструментальном штампе.

По результатам математических моделирований в средах DEFORM и QForm  с учетом рекомендаций [1–5] было установлено резкое утонение детали в области вытяжного ребра матрицы, связанного со значительным значением напряжения штамповки  и низкими прочностными характеристиками материала АД1М [6].

                                                                                                                    ,     (1)

где — напряжение сопротивления деформации фланца; – напряжение от трения; – напряжение от изгиба заготовки вокруг вытяжного реба; – давление подпора в торец заготовки.

Процесс формообразования детали без разрушения заготовки будет осуществляться, если значения напряжения штамповки  не будут превышать предел прочности материала  [7]:

                                                                                                                                               .       (2)

 1.  С целью повышения сопротивления деформации мягкого материла АД1М необходимо произвести захолаживание заготовки в жидком азоте при температуре -196°С. Тем самым повышаем сопротивляемость материала  до 2 раз [8];

   2.  Уменьшение напряжений от изгиба заготовки вокруг вытяжного ребра (формула 3) за счет использования матриц с тороидальными заходными участками большого радиуса (половина от радиуса рабочей части матрицы).

                                                                                                                                       ,         (3) 

где  — радиус вытяжной кромки матрицы; – начальная толщина заготовки.

    3.  Применение профилированных матриц с варьированием угла наклона, что позволяет снизить напряжения пластического деформирования фланца заготовки (формула 4), что обуславливается уменьшением коэффициента вытяжки  [7].

                                                                          ,            (4)

где  – коэффициент упрочнения материала; – начальный коэффициент вытяжки (отношение радиуса заготовки к радиусу пуансона; – текущий коэффициент вытяжки (принимается с учетом размера штампуемой заготовки в процессе штамповки).

   4.  Для обеспечения проскальзывания фланцевой части заготовки относительно свинца, снижения напряжения от трения  (формула 5) и сокращения времени контакта купольной части заготовки и свинцового блока необходимо выполнить профилирование свинца и использовать различные смазки на поверхности заготовки (коэффициенты трения 0,01 и 0,3).

                                                                                                              ,              (5)

где   – вязкость применяемой смазки;    – скорость движения деформируемого материала относительно матрицы; – ускорение силы тяжести; – толщина смазочного слоя; – радиус пуансона;  – толщина заготовки;   – площадь заготовки.

   5.  Обеспечить подпор в торец для интенсификации поджима свинцом заготовки  и уменьшить скорость штамповки до 0,1 мм/c.

Моделирование процессов штамповки с профилированными матрицами реализовывался в комплексе QForm, а процессы, связанные с дифференцированием контактных условий на поверхностях заготовки, моделировались в DEFORM. Такое разделение способствовало увеличению скорости расчетов и проверку достоверности получаемых результатов. При этом следует сказать, что моделирование различных контактных условий на поверхности заготовки в QForm на текущий момент написания работы не реализовано.

Таким образом, на основе анализа литературы и результатов математических моделирований были сформулированы основные направления по реализации процессов штамповки оболочечных деталей ракетно-космической промышленности из мягкого материала АД1М, что приводит к повышению качества изделия. Разработанные рекомендации целесообразно использовать при проектировании технологических режимов штамповки свинцом полусферических деталей из высокопластичных сплавов (АМц, АД1, АДС, деформируемые медные сплавы, аустенитные стали).