Изготовление и испытание болтов из титанового сплава с высоким соотношением сторон

В данной статье решается проблема деформации при обработке деталей с большим соотношением сторон болты из титанового сплава благодаря развитию эффективных возможностей обработки на оборудовании для горячей ковки, исследованиям в области разработки инструмента для термообработки и научному проектированию припусков на механическую обработку. Благодаря оптимизированным методам испытаний были достигнуты эффективные эксплуатационные испытания болтов из титанового сплава с большим соотношением сторон.
Крепежные элементы из титановых сплавов широко используются ведущими мировыми авиастроительными компаниями в различных моделях военных и гражданских самолетов благодаря своим отличным комплексным характеристикам, таким как малый вес, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, устойчивость к высоким температурам и усталостная прочность. Грубо говоря, количество болтов из титанового сплава в самолетах составляет от десятков тысяч до сотен тысяч. В связи с постоянным повышением требований к характеристикам современных самолетов в Китае выдвигаются высокие требования в таких областях, как снижение веса, длительный срок службы и высокая надежность. Для того чтобы соответствовать этим показателям, использование крепежа из титановых сплавов продолжает расти. Чтобы удовлетворить спрос на крепеж из титановых сплавов для самолетов в Китае, за последнее десятилетие было проведено большое количество исследований в области производственного оборудования и технологии изготовления крепежа из титановых сплавов. Производство крепежные изделия из титанового сплава требует большого количества специализированного оборудования и соответствующих технических основ, что является очень комплексной областью. После многих лет развития технология обработки в этой области в Китае становится все более совершенной и зрелой.
Крепеж, обычно используемый в самолетах, в основном состоит из крепежа с отношением длины к диаметру менее 6 и более длинных компонентов около 10. Технология их обработки хорошо решена, но для сверхдлинных компонентов, таких как крепеж из титанового сплава с отношением длины к диаметру более 20, их производство затруднено. В процессе производства остается много проблем, в основном проявляющихся в сложности горячей штамповки, сильной деформации при обработке и факторах, влияющих на результаты испытаний при проверке работоспособности. В данной статье в качестве объекта исследования рассматривается крепеж из титанового сплава с отношением длины к диаметру более 20, а также рассматривается технологическое оборудование, приспособления и методы обработки для решения ключевых проблем в процессе их разработки с целью достижения серийной обработки такого крепежа из титанового сплава.

1. Прорыв в технологической сложности обработки

Обработка крепежа из титановых сплавов в основном состоит из следующих процессов: теплая (горячая) ковка, термообработка со старением в твердом растворе, шлифовка, механическая обработка, накатка резьбы, упрочнение галтелей, обработка поверхности, испытание механических характеристик, металлургический контроль и т.д., и обеспечивается различным специализированным или универсальным оборудованием и соответствующими технологиями процесса для удовлетворения требований к размерам, точности, механическим характеристикам и качеству обрабатываемых деталей.
В прежних производствах в основном обрабатывались изделия с отношением длины к диаметру менее 10, формируя полный набор технологий обработки. Однако для болтов с отношением длины к диаметру 20 и более при использовании традиционного оборудования и технологий обработки нелегко обеспечить требования к обработке и точности изделий. Основными проблемами являются недостаточная производительность оборудования и большие деформации. Поэтому для обработки крепежа из титанового сплава с большим отношением длины к диаметру необходимо решить следующие четыре проблемы:

• (1) Ограничения в обработке оборудования: Как добиться ковки болтов с длинным стержнем с помощью машины для теплой ковки.
• (2) Деформация и изгиб при термообработке: Заготовки с большим соотношением сторон склонны к изгибу головки заготовки во время термообработки.
• (3) Последующие этапы термообработки обеспечивают соосность головки крепежа, полированного стержня и резьбовых деталей.
• (4) Испытания готовых изделий крепежа с высоким соотношением сторон, особенно высокочастотные испытания на усталость при растяжении.

1.1 Технология управления горячей штамповкой

При обработке крепежа из титанового сплава с большими партиями средних и длинных стержней обычно используется оборудование и процессы непрерывной теплой штамповки для завершения формирования головки. В ходе этого процесса материал сначала направляется в зону нагрева через подающее колесо для индукционного нагрева, затем разрезается и направляется в матрицу ковочного станка для ковки, завершая обработку различных крепежных изделий из титанового сплава с головкой. Для обработки болтов со средним и длинным стержнем материал обычно формируется путем непрерывного нагрева по всей длине для расстроповки. Однако для болтов со сверхдлинным стержнем из-за большой длины стержня невозможно гарантировать его нагрев до необходимой температуры, что делает заготовку для высадки склонной к растрескиванию. Поэтому оборудование для непрерывной тепловой высадки имеет определенные ограничения для высадки болтов со сверхдлинным стержнем. Что касается кузнечного оборудования, то каждый тип оборудования имеет свой ход и диапазон изделий, которые можно нагревать и ковать. Кроме того, если говорить об общем процессе нагрева, то, поскольку детали, которые необходимо нагреть для ковки, ограничены деталями, которые были деформированы в форму головки, с экономической точки зрения общий процесс нагрева фактически приводит к большим потерям энергии.
На основе полного учета возможностей оборудования для ковки, эффективности нагрева материала, формирования структуры головки, выталкивания сверхдлинных деталей и удовлетворения требований к поверхности и внутренней структуре, крепежные детали из титанового сплава с большим соотношением сторон нагреваются и куются отдельно в зоне деформации материала в процессе обработки, как показано на рис. 1. Чтобы применить этот процесс, материал прямого прутка должен быть сначала разрезан на части необходимой длины. В процессе ковки нагревательное устройство используется для нагрева области деформации, а затем осуществляется процесс ковки. На этапе распалубки из-за неравномерной деформации и расширения сверхдлинного прутка во время ковки применяется метод пошаговой распалубки, позволяющий эффективно предотвратить повреждение приспособления и деталей пресс-формы и устранить частичную деформацию изгиба деталей.

Рис. 1 Схема штамповки под давлением для крепежа с большим соотношением сторон

1.2 Технология контроля деформации при термообработке

Крепежные детали из титановых сплавов с большим аспектным отношением подвержены деформации изгиба и значительной деформации во время термической обработки. Хотя устранить деформацию на этом этапе не представляется возможным, совершенствование процесса может минимизировать эту деформацию, чтобы облегчить трудности последующей обработки и обеспечить выполнение требований к точности при последующей обработке. Три основных фактора могут вызвать деформацию на этапе термообработки:

• (1) Метод свободного размещения может легко вызвать деформацию сжатия, вызванную контактом между крепежными элементами, и деформацию изгиба, вызванную весом самих крепежных элементов, как показано на рис. 2.
• (2) Ударная деформация, вызванная воздействием воды на крепеж на стадии закалки.
• (3) Термическая деформация материалов, вызванная чередованием горячего и холодного в течение всего процесса термообработки. Согласно анализу и статистике состояния предыдущего производства, первый фактор вызывает наибольшую деформацию. Поэтому на этапе термообработки такая деформация должна быть максимально минимизирована, чтобы обеспечить высокие требования к соосности изделия при последующей обработке.

Рисунок.2 Свободное воспроизведение и вызванная им деформация
Чтобы избежать деформации, вызванной собственным весом и взаимным сжатием крепежных деталей, их можно уложить на стеллаж для материалов и подвергнуть термической обработке, как показано на рис. 3. В это время несущей поверхностью собственного веса крепежа является округлый участок, где соединяются потайная поверхность и стержень, а сила тяжести, действующая по окружности округлого участка, практически одинакова, что не приведет к изгибу головки относительно стержня; кроме того, поскольку материальная стойка изолирует крепеж друг от друга, между крепежами не будет происходить деформации взаимного сжатия, что позволит избежать деформации стержня. В то же время, пространство между частями может обеспечить свободный поток теплового излучения во время нагрева, предотвращая недостаточную теплопередачу в центральной части во время термическая обработка. На этапе закалки стеллаж с материалами помещается в воду вместе с крепежными элементами. В это время перегородка в середине стеллажа может предотвратить ударную деформацию крепежа и деформацию сжатия между крепежными элементами при попадании в воду, тем самым дополнительно уменьшая деформацию изгиба стержня крепежа из титанового сплава с большим аспектным отношением.

Рис. 3 Размещение стойки для материала во время термообработки деталей с высоким аспектным отношением

1.3 Общая обработка поверхности и согласование размеров

Как упоминалось ранее, из-за того, что деформация, возникающая на этапе термообработки, не может быть устранена путем оптимизации процесса, соосность между потайной поверхностью, полированной зоной стержня и последующей резьбой крепежа после термообработки все равно не может соответствовать техническим требованиям. Поэтому для достижения соосности между различными частями крепежа необходимо проводить последующую общую обработку поверхности. В связи с тем, что резьба крепежа из титанового сплава обычно формируется путем накатывания, соосность между резьбовым участком, полированным стержнем и головкой полностью зависит от соосности прокатанного участка резьбовой заготовки, полированного стержня и потайной поверхности. Для обеспечения соосности резьбовой заготовки, полированного стержня и потайной поверхности крепежа из титанового сплава с большим соотношением сторон необходима технология однократного шлифования, позволяющая добиться формирования этих трех частей и тем самым удовлетворить высокие требования к соосности. Благодаря процессу бескернового шлифования общей поверхности, соосность между резьбовой заготовкой, полированным стержнем и потайной поверхностью крепежа с большим соотношением сторон может полностью соответствовать требованиям к соосности различных частей крепежа.
Резьбовая заготовка, полированный стержень и потайная поверхность требуют разной степени шлифовки. В соответствии с принципом бескернового шлифования, шлифование потайной поверхности опирается на растягивающее усилие, возникающее при шлифовании полированного стержня и резьбовой заготовки. Величина растягивающего усилия, возникающего при шлифовании полированного стержня и резьбовой заготовки, напрямую зависит от длины и величины удаления шлифуемой части, поэтому величина шлифования потайной поверхности напрямую зависит от длины шлифования полированного стержня и резьбовой заготовки, а также от величины удаления по направлению диаметра; Кроме того, поскольку величина шлифования потайной поверхности напрямую влияет на размер высоты головки крепежа, необходимо строго контролировать припуск на обработку потайной поверхности, соотношение между диаметром и длиной полированного стержня и резьбовой заготовки в процессе обработки, чтобы достичь идеального эффекта шлифования. На основе накопления экспериментальных данных и статистического анализа была получена следующая формула для определения припуска на обработку высоты потайного отверстия:

h = K x (l/d)

В формуле:

• h - припуск на обработку для высоты головки потайного крепежа;
• K - коэффициент измельчения;
• I - длина крепежного стержня из титанового сплава;
• d - диаметр стержня крепежа из титанового сплава.

1.4 Высокочастотные испытания на усталость при растяжении

Для высокочастотных испытаний на усталость существует определенное требование к соосности в процессе испытаний; то есть дополнительное напряжение изгиба, возникающее при нагружении разных осей, должно составлять не более 6% от среднего напряжения. Однако для крепежа с большим аспектным отношением при обычных методах зажима (GJB715.30-2008 "Методы испытания крепежа на растяжение") расстояние между головкой крепежа и резьбовой частью приспособления слишком велико, что вызывает боковую вибрацию в голой части стержня крепежа в процессе нагружения. Это напряжение значительно превышает требование оборудования не превышать 6% среднего напряжения, что делает испытание невозможным для нормального проведения.
Чтобы избежать этой ситуации, испытательное приспособление было оптимизировано (см. рис. 4) путем увеличения фиксированной длины головки на крепеже, уменьшения свободной длины стержня крепежа и значительного уменьшения боковой вибрации стержня крепежа во время эксперимента, что позволило снизить изгибающее напряжение, возникающее при нагружении, и обеспечить нормальную работу испытательного оборудования в соответствии со стандартными требованиями к нагрузке и частоте. Экспериментальная проверка показала, что высокочастотная усталость при растяжении крепежных деталей из титанового сплава с высоким аспектным отношением полностью соответствует требованиям.

2. Заключение

Для крепежа из титанового сплава с большим соотношением сторон можно использовать передовые технологии, такие как управление горячей ковкой, управление деформацией при термической обработке материала, управление соосностью поверхности и координация размеров при механической обработке. Оптимизация высокочастотных испытаний на усталость при растяжении в процессе тестирования характеристик продукции позволяет обеспечить плавный и точный ход испытаний. Исследование технологии обработки и испытания крепежных изделий из титанового сплава с большим аспектным отношением также заложило техническую основу для разработки подобных специальных крепежных изделий из титанового сплава.

Рис. 4 Метод зажима для высокочастотных испытаний на усталость при растяжении
Авторы: Li Weiqiang, Liu Fenglei, Ren Chong, Chen Chuang, Feng Shuo, Liu Dan