RU2092608C1

RU2092608C1 - Method of strengthening metallic blanks

Info

Publication number: RU2092608C1
Application number: RU94038085A
Authority: RU
Inventors: С.И. Козий; А.И. Хромов; Т.Б. Козий; Ю.И. Павленко
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им.С.П.Королева
Priority date: 1994-10-10
Filing date: 1994-10-10
Publication date: 1997-10-10
Also published as: RU94038085A

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely processes for strengthening thick-sheet blanks. SUBSTANCE: method comprises steps of applying pulse compression effort to part of blank surface for causing plastic deformation of its material. Efforts are applied in such a way that material is deformed along thickness of blank in condition of its plastic structural formation and rigid inclusions are formed due to applying reverse pulse compression effort normal relative to blank surface. Rigid inclusions have field of elastoplastic stresses along their outer perimeters. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, и в частности к способам упрочнения преимущественно толстолистовых металлических заготовок. The invention relates to the field of metal forming, and in particular to methods of hardening mainly plate metal blanks.

Важнейшее требование авиационно-космической техники создание крупногабаритных конструкций, обладающих малой массой. При этом одной из проблем, возникающих при создании вышеназванных конструкций, является так называемая квадратно-кубическая зависимость: прочность и жесткость конструкций возрастает пропорционально квадрату, в то время как масса конструкции увеличивается пропорционально кубу линейных размеров. The most important requirement of aerospace engineering is the creation of large-sized structures with low mass. In this case, one of the problems that arise when creating the above structures is the so-called square-cubic dependence: the strength and rigidity of structures increases in proportion to the square, while the mass of the structure increases in proportion to the cube of linear dimensions.

Таким образом, решающее значение для повышения надежности и ресурса изделия имеет не только улучшение механических свойств применяемых материалов, но и повышение их конструкционной прочности и жесткости, которые достигаются технологическими методами. Thus, it is crucial not only to improve the mechanical properties of the materials used, but also to increase their structural strength and stiffness, which are achieved by technological methods, to increase the reliability and resource of a product.

Известен способ упрочнения металлических заготовок, при котором инструмент, например шар, статическим нагружением вдавливают в поверхность заготовки с формированием пятна контакта или окружности, после чего производят процесс обкатывания, образуя перед шаром стоячие волны деформированного металла, а за шаром пластически деформированную поверхность металлической заготовки (Л. Г. Одинцов. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. М. Машиностроение, 1987, стр.46-47). A known method of hardening metal billets, in which a tool, for example a ball, is pressed by static loading into the surface of the workpiece with the formation of a contact spot or circle, after which the rolling process is carried out, forming standing waves of a deformed metal in front of the ball, and a plastic deformed surface of the metal billet behind the ball (L G. Odintsov. Hardening and finishing of parts by surface plastic deformation. M. Mashinostroenie, 1987, pp. 46-47).

К недостаткам известного способа следует отнести:
возможность перенаклепа поверхности заготовки, в результате которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины, намечается образование частичек отслаивающегося металла;
упрочнению подвергается относительно тонкий (5-10 мкм) поверхностный слой заготовки;
на кромках обрабатываемых поверхностей образуются равномерные наплывы металла толщиной до 0,3 мм.The disadvantages of this method include:
the possibility of re-hardening of the surface of the workpiece, as a result of which dangerous microcracks appear in the surface layer, the formation of particles of peeling metal is planned;
relatively thin (5-10 μm) surface layer of the workpiece is hardened;
uniform edges of metal up to 0.3 mm thick are formed on the edges of the machined surfaces.

Известен также способ упрочнения металлических заготовок, при котором к части поверхности заготовки прикладывают импульсное сжимающее усилие, вызывая пластическую деформацию обрабатываемого материала (см. там же, стр. 242). There is also a known method of hardening metal billets, in which a pulse compressive force is applied to a part of the surface of the billet, causing plastic deformation of the material being processed (see ibid., P. 242).

К недостаткам известного способа упрочнения сухой дробью относят:
значительную нестабильность режима упрочнения, что объясняется большим допуском на диаметр дроби и износом последней,
имеет место активный перенос частиц дроби на поверхность детали, что может снижать коррозионную стойкость деталей,
упрочнению подвергается относительно тонкий поверхностный слой заготовки.The disadvantages of the known method of hardening by dry shot include:
significant instability of the hardening regime, which is explained by a large tolerance on the diameter of the fraction and wear of the latter,
there is an active transfer of fraction particles to the surface of the part, which can reduce the corrosion resistance of the parts,
hardening is a relatively thin surface layer of the workpiece.

Поставлена задача разработать такой способ упрочнения металлических заготовок, который позволит повысить прочность и жесткость заготовки. The task is to develop such a method of hardening metal billets, which will increase the strength and rigidity of the billet.

Поставленная задача достигается тем, что в способе упрочнения металлических заготовок, при котором к части поверхности заготовки прикладывают импульсное сжимающее усилие, вызывая пластическую деформацию обрабатываемого материала, согласно изобретению, по поверхности заготовки формируют жесткие включения с полем упруго-пластических напряжений по их внешнему периметру, осуществляя деформацию обрабатываемого материала по толщине заготовки в условиях его пластического структурообразования. The problem is achieved in that in the method of hardening metal billets, in which a pulse compressive force is applied to a part of the surface of the workpiece, causing plastic deformation of the processed material, according to the invention, rigid inclusions are formed on the surface of the workpiece with a field of elastic-plastic stresses along their external perimeter, by deformation of the processed material by the thickness of the workpiece in the conditions of its plastic structure formation.

Формирование жестких включений выполняют, прикладывая импульсное усилие сжатия в направлении, перпендикулярном поверхности заготовки. The formation of hard inclusions is performed by applying a pulsed compression force in the direction perpendicular to the surface of the workpiece.

Формирование на поверхности заготовки жестких включений, например, цилиндрических по форме, внешней границей которых является тонкий упрочненный слой вторичной структуры, позволяет обеспечить повышенные характеристики прочности и жесткости заготовки. Формирование вторичной структуры осуществляется при импульсном деформировании перенасыщенных твердых растворов за счет их распада, в результате которого выделяются мельчайшие частицы новых структурных образований. Последние, размещаясь в плоскостях скольжения, блокируют развитие сдвигов. Формирование вторичной структуры возможно только при достижении обрабатываемым материалом в его малом объеме температуры, равной температуре закалки. Последующее естественное старение и предопределяет образование вторичной структуры. The formation on the surface of the workpiece of hard inclusions, for example, cylindrical in shape, the outer boundary of which is a thin hardened layer of a secondary structure, allows for increased characteristics of the strength and stiffness of the workpiece. The formation of the secondary structure is carried out during pulsed deformation of supersaturated solid solutions due to their decay, as a result of which tiny particles of new structural formations are released. The latter, located in the slip planes, block the development of shifts. The formation of a secondary structure is possible only when the processed material in its small volume reaches a temperature equal to the quenching temperature. Subsequent natural aging and determines the formation of a secondary structure.

Вторым обязательным параметром, характеризующим жесткое включение, является радиальное давление на внешнюю границу жесткого включения. The second mandatory parameter characterizing the hard inclusion is the radial pressure on the external boundary of the hard inclusion.

На фиг.1 показано исходное положение технологической оснастки и толстолистовой заготовки перед выполнением операции упрочнения, на фиг. 2 - стадия импульсного сдвига части поверхности заготовки в направлении, перпендикулярном ее поверхности, на фиг. 3 исходное положение технологической оснастки и толстолистовой заготовки перед выполнением операции импульсного реверсивного сдвига, на фиг. 4 фрагмент толстолистовой заготовки с жестким включением. In Fig.1 shows the initial position of the tooling and plate blanks before performing the hardening operation, in Fig. 2 - stage of the pulsed shear of a part of the surface of the workpiece in the direction perpendicular to its surface, in FIG. 3, the initial position of the tooling and plate stock before performing the operation of the pulse reverse shear, in FIG. 4 fragment of plate with hard inclusion.

Лучший вариант осуществления способа упрочнения металлических заготовок состоит в следующем. The best option for implementing the method of hardening metal billets is as follows.

Металлическую заготовку 1, например, из алюминиевого сплава В 95АТ толщиной H размещают на матрице 2, имеющей глухое отверстие диаметром D и глубиной h, и сквозное отверстие диаметром d для удаления воздуха. Производят фиксирование заготовки 1 на матрице 2 посредством прижима 3, имеющего сквозное отверстие диаметром D, с усилием прижима P_приж.. В отверстие прижима 3 устанавливают цилиндрический пуансон 4 с диаметром D, выполненным по посадке движения по отношению к диаметру отверстия в прижиме 3. Следует подчеркнуть соосность отверстия в прижиме 3 и глухого отверстия в матрице 1 (фиг.1).A metal billet 1, for example, of an aluminum alloy B 95AT of thickness H is placed on a matrix 2 having a blind hole with a diameter D and depth h, and a through hole with a diameter d to remove air. The workpiece 1 is fixed on the matrix 2 by means of a clamp 3 having a through hole with a diameter D, with a clamping force P _clamp. . A cylindrical punch 4 with a diameter D installed to fit the movement relative to the diameter of the hole in the clip 3 is installed in the clamp hole 3. It is necessary to emphasize the alignment of the hole in the clamp 3 and the blind hole in the matrix 1 (Fig. 1).

При импульсном воздействии силой (P) на пуансон 4 создают под его торцем давление P. В результате уровень внешних сил определяется, как:

В то же время уровень внутренних сил в первом приближении запишется, как:
πDτ_сдв•H.When pulsed by force (P) on the punch 4, pressure P is created under its end face. As a result, the level of external forces is determined as:

At the same time, the level of internal forces as a first approximation is written as:
πDτ _sdv • H.

Для толстолистовых заготовок начальный момент нагружения характеризуется условием, когда:

или:

.For plate blanks, the initial moment of loading is characterized by the condition when:

or:

.

Таким образом, при H/D>1, давление P под пуансоном 4 будет не менее 2σ_0,2.Thus, for H / D> 1, the pressure P under the punch 4 will be at least 2σ _0.2 .

Следовательно, процесс импульсного приложения сжимающего усилия к части поверхности заготовки 1 сопровождается сдвиговой деформацией при некотором внутреннем давлении P, что обусловливает траекторию реализации процесса сдвига (фиг. 2). Условия пластического структурообразования требуют нагрева обрабатываемого материала до температуры закалки при осуществлении сдвиговой импульсной деформации. Зависимость температуры нагрева обрабатываемого материала в очаге деформации может быть записана в виде:

где λ коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала,
V₀ скорость деформирования.Therefore, the process of impulse application of compressive force to a part of the surface of the workpiece 1 is accompanied by shear deformation at some internal pressure P, which determines the trajectory of the shear process (Fig. 2). The conditions of plastic structure formation require heating the processed material to a quenching temperature during shear impulse deformation. The dependence of the heating temperature of the processed material in the deformation zone can be written in the form:

where λ is the thermal conductivity of the processed material,
V _{0 is} the strain rate.

Траектория сдвиговой деформации обусловливается радиальным давлением P при выдавливании материала из-под пуансона 4. Таким образом, по известному решению задачи Ляме можно найти наибольший прогиб поверхности сдвига и далее рассчитать объем обрабатываемого материала, выдавливаемого в радиальном направлении. The trajectory of the shear deformation is determined by the radial pressure P when squeezing the material out from under the punch 4. Thus, according to the well-known solution to the Lyame problem, one can find the greatest deflection of the shear surface and then calculate the volume of the processed material extruded in the radial direction.

Затем, заменив матрицу 2 на матрицу 5, осуществляют приложение реверсивного импульсного усилия P (фиг. 3). Наличие поля упруго-пластических напряжений, сформированного при первом воздействии на заготовку 1 с усилием P, предопределяет осуществление сдвиговой деформации обрабатываемого материала на цилиндрической поверхности с диаметром D (фиг.4). На конечной стадии приложения реверсивного импульсного усилия по местоположению жесткого включения имеет место образование с противоположных сторон заготовки 1 углублений глубиной h, как правило, величина последних не превышает толщины плакирующего слоя для конструкционных алюминиевых сплавов, т.е. не более 0,1 мм. Then, replacing the matrix 2 by the matrix 5, the reverse pulse force P is applied (Fig. 3). The presence of a field of elastic-plastic stresses formed during the first exposure to the workpiece 1 with a force P, determines the implementation of shear deformation of the processed material on a cylindrical surface with a diameter D (figure 4). At the final stage of applying a reverse pulsed force at the location of the hard inclusion, there is the formation of depressions with depth h on the opposite sides of the workpiece 1, as a rule, the size of the latter does not exceed the thickness of the cladding layer for structural aluminum alloys, i.e. no more than 0.1 mm.

Предлагаемый способ прошел опытно-промышленную проверку при упрочнении листовых заготовок из алюминиевого сплава В95АТ путем формирования жестких включений по поверхности заготовок. Рассматривались различные схемы расположения жестких включений в пределах поверхности заготовки линейные, круговые и т.д. The proposed method has passed a pilot industrial test when hardening sheet blanks from aluminum alloy B95AT by forming hard inclusions on the surface of the blanks. Various layouts of hard inclusions within the workpiece surface were considered linear, circular, etc.

Заготовки выбирались с геометрическими размерами 5х40х250 мм с целью проведения последующего после упрочнения испытания на трехточечный изгиб. Жесткие включения формировались технологической оснасткой на диаметре в 5 мм. Billets were selected with geometric dimensions of 5x40x250 mm in order to conduct the subsequent three-point bending test after hardening. Hard inclusions were formed by tooling on a diameter of 5 mm.

При этом глубина внедрения пуансона в заготовку варьировалась через 0,1 мм до предельной величины, равной 0,5 мм. At the same time, the depth of penetration of the punch into the workpiece was varied through 0.1 mm to a limit value of 0.5 mm.

Скорость деформирования изменялась в пределах (15-25) м/с. The strain rate varied within (15–25) m / s.

В качестве нагружающей установки использовалась пневматическая скоба с ударником (массой 450 г), приводимым в движение электромеханическими силами от магнитно-импульсной установки (МИУ-10), с запасаемой энергией до 3,5 кДж. A pneumatic bracket with a striker (mass 450 g), driven by electromechanical forces from a magnetic pulse installation (MIU-10), with a stored energy of up to 3.5 kJ, was used as a loading unit.

Исследования микроструктуры с помощью тонких фольг выявили:
очаг деформации представляет собой длинные вытянутые зерна, разделенные высокоугловыми границами, наблюдается ячеистая структура с тонкими вытянутыми ячейками, ориентированными под углом (30-40^o) к высокоугловой границе,
границы ячеек имеют плотность дислокаций 10¹⁰1/см²,
дисперсные выделения, которые подтверждают распад твердого раствора по Mg и Zn,
изменение в параметрах кристаллической решетки; в очаге деформации а= 4,04755 А, вне его 4,04928 А.Microstructure studies using thin foils revealed:
the deformation zone is long elongated grains separated by high-angle boundaries, there is a cellular structure with thin elongated cells oriented at an angle (30-40 ^o ) to the high-angle boundary,
cell boundaries have a dislocation density of 10 ¹⁰ 1 / cm ² ,
dispersed precipitates, which confirm the decomposition of the solid solution by Mg and Zn,
a change in the lattice parameters; in the deformation zone a = 4.04755 A, outside it 4.04928 A.

Испытание на трехточечный изгиб, выполненные на испытательной машине ЦДМУ-30, показали вырастание прочности и жесткости упрочненных заготовок в среднем на (30-70)% по сравнению с вышеназванными характеристиками для исходных заготовок. Three-point bending tests performed on the TsDMU-30 testing machine showed an increase in the strength and stiffness of hardened billets by an average of (30-70)% compared with the above characteristics for the initial billets.

Изобретение может быть применимо в технологических операциях упрочнения толстолистовых заготовок (например, при изготовлении поясов безопасности) в самолетостроении, а также при производстве других летательных аппаратов. The invention can be applied in technological operations of hardening plate blanks (for example, in the manufacture of safety belts) in aircraft construction, as well as in the manufacture of other aircraft.

Claims

1. A method of hardening metal billets, mainly plate, in which a pulse compressive force is applied to a part of the surface of the workpiece, causing plastic deformation of the processed material, characterized in that hard inclusions with a field of elastoplastic stresses are formed along the outer perimeter, deforming the processed material by the thickness of the workpiece in the conditions of its plastic structure formation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the formation of hard inclusions is performed by applying a reversible pulsed compressive force in a direction perpendicular to the surface of the workpiece.