кандидат технических наук, научный сотрудник
candidate of technical sciences, Researcher associate Institute
доктор физико-математических наук, член-корреспондент Российской академии наук, директор
doctor of physical and mathematical sciences, corresponding member of the Russian Academy of Sciences, Director
кандидат технических наук, старший научный сотрудник
candidate of technical sciences, senior researcher
В работе рассматриваются вопросы совершенствования процесса изготовления трехслойных полых конструкций из титанового сплава ВТ6, изготовленных по технологии, комбинирующей сверхпластическую формовку (СПФ) и сварку давлением (СД). Для оптимизации процесса формовки целесообразно использовать конечноэлементное моделирование, для которого необходимо задание адекватных определяющих соотношений, описывающих отклик материала на термомеханическое воздействие, а также феноменологического закона трения на поверхности контакта деформируемого материала с формообразующей матрицей. Для нахождения материальных констант в определяющих соотношениях и коэффициента трения прибегают к тестовым формовкам листового материала в матрицы различных форм. В таких экспериментах реализуется двухосное нагружение, как и в реальных процессах изготовления сложнопрофильных конструкций из листовых материалов методом СПФ. С этой целью выполнено конечно-элементное моделирование СПФ листовых заготовок в матрицы двух типов: протяженную, имеющую в поперечном сечении форму равнобедренного треугольника, и коническую. Даны рекомендации по выбору оптимального угла при вершине, определяющего геометрию матриц, при котором обеспечивается постоянство действующих напряжений в ходе формовки при постоянном давлении, что позволяет существенно упростить анализ результатов эксперимента. Установлено, что на выбор угла матриц оказывают влияние различные факторы: для протяженной матрицы это коэффициент трения на границе заготовка-матрица, а для конической матрицы - образующаяся при формовке разнотолщинность. На основании численного моделирования процесса формовки листовых заготовок в матрицы дана методика оценки коэффициента трения на контактной поверхности заготовка-матрица. С использованием материальных констант определяющего соотношения, рассчитанных по предложенным методикам и рекомендациям, проведено конечноэлементное моделирование процесса СПФ трехслойных полых конструкций. Установлены технологические ограничения на геометрические параметры конструкций такие, как угол наклона ребер жесткости и отношение толщины обшивки к толщине заполнителя, обеспечивающие формовку без образования складок на обшивках и минимальную разнотолщинность ребер жесткости.
The present work is devoted to the development of the production ofthree-layered hollows structures made of VT6 titanium alloy by means of superplastic forming (SPF) and pressure welding. Finite- element modeling can be successfully applied to optimize the forming process, if the adequate constitutive relations would be defined and the friction at the contact surface of the material with the die would be specified. To find the friction coefficient and the parameters of the constitutive relations for metal forming process, test experiments are conducted to the forming of sheet into dies of various shapes. In such test experiments, a biaxial loading is realized, as in the actual processes of fabricating complicated structures from sheet by SPF. To this end, Finite-element modeling of the SPF process of sheet forming into dies of two types is performed: (i) into wedge die having cross section in the form of equilateral triangle, and (ii) cone die. Recommendations are given for the choice of the optimum angle at the vertex, determining the geometry of the dies, which results in the constancy of the stresses during forming at constant pressure. The methodology for estimating the coefficient of friction on the contact surface between sheet and die is given. Finite- element modeling of the SPF process of three-layer hollow structures is carried out using the parameters of the constitutive relations obtained by the proposed methods. Technological constraints on the geometric parameters of structures, such as the angle of inclination of the stiffening ribs and the thickness ratio of outer to inner sheet thicknesses are established, which provides forming without the formation of folds on the shell and the minimum variability of ribs thickness.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.