Didelio kraštinių santykio titano lydinio varžtų gamyba ir bandymai

Šiame straipsnyje sprendžiama deformacijos problema apdirbant didelio kraštinių santykio titano lydinio varžtai plėtojant efektyvius karšto kalimo įrangos apdorojimo pajėgumus, atliekant terminio apdorojimo įrankių kūrimo tyrimus ir mokslinį apdirbimo pašalpų projektavimą. Optimizavus bandymų metodus, pasiekta, kad būtų veiksmingai išbandyti didelio kraštinių santykio titano lydinio varžtai.
Titano lydinių tvirtinimo detales plačiai naudoja geriausi orlaivių gamintojai visame pasaulyje įvairiuose karinių ir civilinių orlaivių modeliuose, nes jos pasižymi puikiomis visapusiškomis eksploatacinėmis savybėmis, pavyzdžiui, yra lengvos, pasižymi dideliu specifiniu stiprumu, atsparumu korozijai, atsparumu aukštai temperatūrai ir nuovargiui. Apytikriai tariant, orlaiviuose naudojama nuo dešimčių tūkstančių iki šimtų tūkstančių titano lydinio varžtų. Nuolat tobulėjant pažangių orlaivių eksploatacinių savybių reikalavimams Kinijoje, keliami aukšti reikalavimai tokiose srityse kaip svorio mažinimas, ilgas tarnavimo laikas ir didelis patikimumas. Siekiant atitikti šiuos rodiklius, titano lydinių tvirtinimo detalių naudojimas vis didėja. Siekiant patenkinti titano lydinių tvirtinimo detalių, skirtų orlaiviams Kinijoje, paklausą, per pastarąjį dešimtmetį buvo atlikta daug tyrimų, susijusių su titano lydinių tvirtinimo detalių gamybos įranga ir technologiniais procesais. Gamybos titano lydinio tvirtinimo detalės reikia daug specializuotos įrangos ir atitinkamo techninio pagrindo, o tai yra labai plati sritis. Po daugelio metų plėtros šios srities apdorojimo technologijos Kinijoje tampa vis tobulesnės ir brandesnės.
Lėktuvuose dažniausiai naudojamos tvirtinimo detalės, kurių ilgio ir skersmens santykis yra mažesnis nei 6, o ilgesnių komponentų - apie 10. Jų apdirbimo technologija gerai išspręsta, tačiau itin ilgų komponentų, pavyzdžiui, titano lydinio tvirtinimo detalių, kurių ilgio ir skersmens santykis didesnis nei 20, gamyba yra sudėtinga. Gamybos procese vis dar yra daug problemų, daugiausia pasireiškiančių karšto kalimo formavimo sunkumais, didelėmis deformacijomis apdorojimo metu ir veiksniais, kurie turi įtakos bandymų rezultatams atliekant eksploatacinių savybių bandymus. Šiame straipsnyje tyrimų objektu pasirinktos titano lydinio tvirtinimo detalės, kurių ilgio ir skersmens santykis didesnis nei 20, ir išsamiai aptariama apdorojimo įranga, armatūra ir proceso metodai, skirti pagrindinėms jų kūrimo proceso problemoms spręsti, kad būtų galima tokias titano lydinio tvirtinimo detales apdoroti partijomis.

1. Proveržis perdirbimo technologijų srityje

Titano lydinio tvirtinimo detalių apdorojimą daugiausia sudaro šie procesai: šiltas (karštas) kalimas, kietųjų tirpalų senėjimo terminis apdorojimas, šlifavimas, mechaninis apdirbimas, sriegio valcavimas, filė sutvirtinimas, paviršiaus apdorojimas, mechaninių charakteristikų bandymai, metalurginė kontrolė ir t. t., ir jį užtikrina įvairi specializuota arba universali įranga ir atitinkamos procesų technologijos, kad būtų laikomasi apdorotų dalių dydžio, tikslumo, mechaninių charakteristikų ir kokybės reikalavimų.
Ankstesnėje gamyboje daugiausia buvo apdorojami produktai, kurių ilgio ir skersmens santykis buvo mažesnis nei 10, ir taip buvo suformuotas visas apdorojimo technologijų rinkinys. Tačiau varžtams, kurių ilgio ir skersmens santykis yra 20 ar daugiau, naudojant tradicinę apdorojimo įrangą ir technologiją nėra lengva užtikrinti gaminių apdorojimo ir tikslumo reikalavimus. Pagrindinės problemos yra nepakankamas apdorojimo įrangos pajėgumas ir didelė deformacija. Todėl apdorojant didelio ilgio ir skersmens santykio titano lydinio tvirtinimo detales reikia išspręsti šias keturias problemas:

• (1) Įrangos apdorojimo apribojimai: Kaip kalti ilgus strypinius varžtus naudojant šiltą kalimo mašiną.
• (2) terminio apdorojimo deformacija ir lenkimas: Didelio kraštinių santykio ruošiniai terminio apdorojimo metu linkę lenkti ruošinio galvutę.
• (3) Vėlesni terminio apdorojimo etapai užtikrina tvirtinimo detalės galvutės, poliruoto strypo ir srieginių dalių bendraašiškumą.
• (4) Didelio aspekto santykio tvirtinimo detalių gatavų gaminių bandymai, ypač didelio dažnio tempimo nuovargio bandymai.

1.1 Karšto kalimo kontrolės technologija

Titano lydinio tvirtinimo detalėms su didelėmis vidutinio ilgio ir ilgų strypų partijomis apdoroti paprastai naudojama nepertraukiamo šilto nukreipimo įranga ir procesai, skirti galvos formavimui užbaigti. Šio proceso metu pirmiausia medžiaga per padavimo ratą siunčiama į kaitinimo zoną indukciniam kaitinimui, tada supjaustoma ir siunčiama į kalimo staklių vidinį štampą kalimui, taip užbaigiant įvairių titano lydinio tvirtinimo detalių su galvutėmis apdorojimą. Vidutinio ilgio ir ilgų strypinių varžtų apdirbimui medžiaga paprastai formuojama nuolat kaitinant visą ilgį, kad būtų galima ją išjudinti. Tačiau itin ilgų strypinių varžtų atveju dėl ilgo strypo ilgio negalima užtikrinti, kad jis bus įkaitintas iki reikiamos temperatūros, todėl įtempimo ruošinys gali įtrūkti. Todėl nepertraukiamo šilto išskaidymo įranga turi tam tikrų apribojimų išskaidant itin ilgus strypinius varžtus. Kalbant apie kalimo įrangą, kiekvienas įrangos tipas turi savo eigą ir gaminių, kuriuos galima kaitinti ir kalti, asortimentą. Be to, kalbant apie bendrą kaitinimo procesą, kadangi kalimui reikalingos kaitinti detalės apsiriboja detalėmis, kurios buvo deformuotos į galvutės formą, ekonominiu požiūriu bendras kaitinimo procesas iš tikrųjų sukelia daug energijos nuostolių.
Visiškai atsižvelgiant į įrangos kalimo galimybes, medžiagos kaitinimo efektyvumą, galvos struktūros formavimą, itin ilgų dalių išstūmimą ir paviršiaus bei vidinės struktūros reikalavimų laikymąsi, didelio aspekto santykio titano lydinio tvirtinimo detalės apdorojant kaitinamos ir kalamos atskirai medžiagos deformacijos zonoje, kaip parodyta 1 paveiksle. Norint pritaikyti šį procesą, pirmiausia reikia supjaustyti tiesaus strypo medžiagą iki reikiamo ilgio. Kalimo proceso metu deformacijos zonai įkaitinti naudojamas kaitinimo įtaisas, o tada atliekamas kalimo procesas. Išformavimo etape dėl netolygios itin ilgo strypo deformacijos ir išsiplėtimo kalimo metu taikomas laipsniško išformavimo metodas, kad būtų veiksmingai išvengta formos tvirtinimo įtaiso ir detalių pažeidimų ir pašalinta dalinė detalių lenkimo įtempių deformacija.

Pav.1 Didelio aspekto santykio tvirtinimo detalių kalimo schema

1.2 Terminio apdorojimo deformacijos kontrolės technologija

Didelio aspekto santykio titano lydinio tvirtinimo detalės yra linkusios į lenkimo deformaciją ir didelę deformaciją terminio apdorojimo metu. Nors deformacijos šiame etape pašalinti praktiškai neįmanoma, patobulinus procesą galima sumažinti šią deformaciją ir taip palengvinti tolesnio apdorojimo sunkumus bei užtikrinti, kad atliekant tolesnį apdorojimą būtų laikomasi tikslumo reikalavimų. Deformaciją terminio apdorojimo etape gali sukelti trys pagrindiniai veiksniai:

• (1) Taikant laisvojo išdėstymo metodą, lengvai gali atsirasti gniuždymo deformacija, kurią sukelia kontaktas tarp tvirtinimo detalių, ir lenkimo deformacija, kurią sukelia pačių tvirtinimo detalių svoris, kaip parodyta 2 paveiksle.
• (2) smūginė deformacija, kurią sukelia vandens poveikis tvirtinimo detalėms grūdinimo etape.
• (3) Terminė medžiagų deformacija, kurią sukelia karščio ir šalčio kaita viso terminio apdorojimo proceso metu. Remiantis analize ir ankstesnės gamybos būklės statistiniais duomenimis, pirmasis veiksnys sukelia didžiausią deformaciją. Todėl terminio apdorojimo etape tokią deformaciją reikėtų kuo labiau sumažinti, kad vėlesnio apdorojimo metu būtų galima užtikrinti, jog būtų pasiekti aukšti gaminio koašiškumo reikalavimai.

2 pav.2 Laisvas atkūrimas ir jo sukelta deformacija
Kad būtų išvengta deformacijos dėl tvirtinimo detalių savojo svorio ir tarpusavio suspaudimo, jas galima sudėti ant medžiagos stovo ir termiškai apdoroti, kaip parodyta 3 paveiksle. Šiuo metu tvirtinimo detalės savojo svorio laikantysis paviršius yra suapvalinta sritis, kurioje sujungtas įleistinis paviršius ir strypas, o išilgai suapvalintos srities perimetro veikiantis svoris iš esmės yra vienodas, todėl galvutė strypo atžvilgiu neišlinksta; be to, kadangi medžiagos stovas izoliuoja tvirtinimo detales vieną nuo kitos, tarp jų neatsiranda tarpusavio suspaudimo deformacijų, todėl išvengiama strypo deformacijų. Be to, tarp dalių palikta erdvė gali užtikrinti laisvą šilumos spinduliavimo srautą kaitinimo metu, todėl centrinėje dalyje nevyksta nepakankamas šilumos perdavimas. terminis apdorojimas. Grūdinimo etape medžiagos stovas kartu su tvirtinimo detalėmis patalpinamas į vandenį. Tuo metu medžiagos stovo viduryje esantis pertvarinis rėmas gali neleisti tvirtinimo detalėms patekus į vandenį patirti smūginės deformacijos ir suspaudimo deformacijos tarp tvirtinimo detalių, taip dar labiau sumažinant didelio aspekto santykio titano lydinio tvirtinimo detalių strypo lenkimo deformaciją.

Pav.3 Medžiagos stovo išdėstymas termiškai apdorojant detales su dideliu kraštinių santykiu

1.3 Bendras paviršiaus apdorojimas ir matmenų derinimas

Kaip minėta anksčiau, dėl to, kad terminio apdorojimo etape susidariusios deformacijos negalima pašalinti optimizuojant procesą, po terminio apdorojimo įleidžiamojo paviršiaus, poliruoto strypo srities ir vėlesnių tvirtinimo detalės sriegių koaksialumas vis dar negali atitikti techninių reikalavimų. Todėl, siekiant užtikrinti įvairių tvirtinimo detalės dalių bendraašiškumo reikalavimus, turi būti atliekamas tolesnis bendras paviršiaus apdorojimas. Kadangi titano lydinio tvirtinimo detalių sriegiai paprastai formuojami valcuojant, sriegio srities, poliruoto strypo srities ir galvutės bendraašiškumas visiškai priklauso nuo valcuotos sriegio ruošinio srities, poliruoto strypo srities ir įleidžiamojo paviršiaus bendraašiškumo. Norint užtikrinti didelio aspekto santykio titano lydinio tvirtinimo detalių srieginio ruošinio, poliruoto strypo ir įleidžiamojo paviršiaus bendraašiškumą, reikalinga vienkartinio šlifavimo technologija, kad būtų galima suformuoti šias tris dalis ir patenkinti aukštus bendraašiškumo reikalavimus. Naudojant bendro paviršiaus šlifavimo be šerdies technologiją, srieginio ruošinio, poliruoto strypelio ir įleidžiamojo paviršiaus koaksialumas gali visiškai atitikti įvairių tvirtinimo detalės dalių koaksialumo reikalavimus.
Srieginį ruošinį, poliruotą strypą ir įleidžiamąjį paviršių reikia šlifuoti skirtingai. Pagal šlifavimo be šerdies principą, šlifuojant įleidžiamąjį paviršių remiamasi įtempimo jėga, kuri susidaro šlifuojant poliruotą strypą ir srieginį ruošinį. Šlifuojant poliruotą strypą ir ruošinį su sriegiu atsirandančios tempimo jėgos dydis tiesiogiai priklauso nuo šlifuojamos dalies ilgio ir nuėmimo kiekio, todėl šlifuojant įleidžiamąjį paviršių šlifavimo kiekis tiesiogiai priklauso nuo poliruoto strypo ir ruošinio su sriegiu šlifavimo ilgio, taip pat nuo nuėmimo kiekio skersmens kryptimi; Be to, kadangi įleistinio paviršiaus šlifavimo kiekis tiesiogiai veikia tvirtinimo detalės galvutės aukščio matmenis, reikėtų griežtai kontroliuoti įleistinio aukščio apdirbimo priedą, poliruoto strypo ir sriegio ruošinio skersmens ir ilgio santykį apdirbimo proceso metu, kad būtų pasiektas idealus šlifavimo efektas. Remiantis sukauptais eksperimentiniais duomenimis ir statistine analize, gauta toliau pateikta formulė, pagal kurią nustatomas įleidžiamojo aukščio apdirbimo nuokrypis:

h = K x (l/d)

Formulėje:

• h - apdirbimo pataisa, taikoma įleidžiamųjų tvirtinimo detalių galvutės aukščiui;
• K - šlifavimo koeficientas;
• I - titano lydinio tvirtinimo strypo ilgis;
• d - titano lydinio tvirtinimo strypo skersmuo.

1.4 Aukšto dažnio tempimo nuovargio bandymai

Atliekant aukšto dažnio nuovargio bandymus, bandymų metu taikomas tam tikras koaksialumo reikalavimas, t. y. papildomi lenkimo įtempiai, atsirandantys apkraunant skirtingas ašis, turi sudaryti ne daugiau kaip 6% vidutinio įtempio. Tačiau tvirtinimo detalių su dideliais kraštinių santykiais atveju, taikant įprastus tvirtinimo metodus (GJB715.30-2008 "Tampriojo nuovargio tvirtinimo detalių bandymo metodai"), atstumas tarp tvirtinimo detalės galvutės ir tvirtinimo detalės srieginės dalies yra per didelis, todėl apkrovos proceso metu atsiranda šoninė vibracija neuždengtoje tvirtinimo detalės strypo dalyje, Apkraunant ašine apkrova susidaro lenkimo įtempiai, o kuo ilgesnis ilgis, tuo didesni lenkimo įtempiai. Šis įtempis gerokai viršija įrangos reikalavimą neviršyti 6% vidutinio įtempio, todėl bandymas negali vykti normaliai.
Siekiant išvengti tokios situacijos, buvo optimizuotas bandymo įtaisas (žr. 4 pav.), padidinant fiksuotą tvirtinimo detalės ištraukiamosios galvutės ilgį, sumažinant laisvąjį tvirtinimo detalės strypo ilgį ir gerokai sumažinant šoninę tvirtinimo detalės strypo vibraciją eksperimento metu, taip sumažinant lenkimo įtempius, atsirandančius dėl apkrovos, todėl bandymo įranga gali normaliai veikti pagal standartinius apkrovos ir dažnio reikalavimus. Atlikus eksperimentinę patikrą, didelio aspekto santykio titano lydinio tvirtinimo detalių aukšto dažnio tempimo nuovargio charakteristikos visiškai atitinka reikalavimus.

2. Išvada

Didelio kraštinių santykio titano lydinio tvirtinimo detalėms apdoroti galima naudoti pažangias proceso technologijas, tokias kaip vieno karšto kalimo kontrolė, medžiagos stovo terminio apdorojimo deformacijos kontrolė, bendro paviršiaus formavimo koacialumo kontrolė ir apdirbimo matmenų koordinavimas. Optimizuojant aukšto dažnio tempimo nuovargio bandymus atliekant gaminio eksploatacinių savybių bandymus, užtikrinama sklandi ir tiksli bandymo eiga. Didelio aspekto santykio titano lydinio tvirtinimo detalių apdirbimo technologijos ir bandymų technologijos tyrimai taip pat padėjo techninį pagrindą panašių specialių titano lydinio tvirtinimo detalių kūrimui.

Pav.4 Aukšto dažnio tempimo nuovargio bandymų prispaudimo metodas
Autoriai: Li Weiqiang, Liu Fenglei, Ren Chong, Chen Chuang, Feng Shuo, Liu Dan