Технологическое обеспечение качества полых осесимметричных деталей из ниобия на основе применения модификации поверхности формообразующего инструмента и моделирования процесса вытяжки.

Актуальность темы исследования. В машино- и приборостроении широкое применение находят изделия, которые изготавливаются из редкоземельных, тугоплавких материалов (ниобий, тантал, молибден и т.д.), которые служат в качестве экранов излучающих энергоимпульсы, немагнитных корпусов, гибких элементов. Их изготовление традиционными способами холодной штамповки (вырубка, вытяжка, обжим, раздача и т.п.) вызывает определенные сложности, что сопровождается значительной долей брака (до50%). Причиной этого является отсутствие достоверных данных по механическим и технологическим свойствам указанных материалов, особенностям их поведения при действии жестких схем напряженного состояния, которые реализуются в процессе холодной листовой штамповки. Одной из задач, которая требует решения при построении рациональных технологий, является проведение комплекса механических и технологических испытаний, что является базой для расчета основных технологических параметров − определения количества операций (переходов), расчета исполнительных размеров рабочего инструмента и разработки технологических схем. Особую роль в рациональном построении технологических процессов играет оптимизация промежуточных термических операций (рекристализационный отжиг и др.), которыми обеспечивают достаточную деформационную способность обрабатываемых на штамповочных переходах полуфабрикатов. Промежуточным отжигом исключают образование трещин, способствуют формированию требуемой шероховатости поверхности и способности к деформационному упрочнению. Важным фактором оптимизации технологических свойств и штампуемости материала являются физические особенности тугоплавких металлов, такие как адгезия с инструментом и структурные изменения материала в зависимости от степени деформации и действия остаточных напряжений, а также трения. Силы трения по поверхностям контакта заготовки с матрицей и пуансоном имеют различное направление. Например, увеличение длины заготовки в результате принудительного утонения является причиной того, что в очаге пластической деформации пуансон обгоняет деформируемый металл, и поэтому силы трения на внутренней поверхности контакта совпадают с направлением перемещения металла. Управление трением в процессах получения высокоточных полых деталей из тугоплавких металлов, а также снижение адгезии с инструментом и уменьшение остаточных напряжений являются актуальными проблемами современного машиностроения.
Степень разработанности. Исследованиям деформируемости тугоплавких металлов, таких как ниобий и молибден, посвящены работы таких авторов, как Богоявленский К.Н., Рис В.В., Ган Г.Т., Прокошкин Д.А., Васильева Е.В., Клыпин Б.А., Белошенко В.А. и др. В их трудах описаны механические характеристики, проводящие свойства, построены температурные кривые, однако вопросы дефектообразования, предельной деформации при холодной обработке, влияния остаточных напряжений исследованы недостаточно, особенно это касается процессов глубокой вытяжки полых тонкостенных деталей. Базовая теория процесса глубокой вытяжки заложена в трудах следующих ученых: Попов Е.А., Ренне И.П., Яковлев С.С., Воронцов А.Л., Лялин В.М., Жвик И.М., Журавлев Г.М., Данилин Г.А., Иванов К.М., Агеев Н.П., Фанифатов А.О., Лобов В.А. и др. Но для установления рациональных режимов технологических переходов, обеспечивающих штампуемость тугоплавких металлов и высокое качество готовых изделий необходимо проведение дополнительных комплексных исследований для установления качественной и количественной связи между микроструктурой и свойствами металла.
Целью работы является разработка практических рекомендаций по повышению качества штампуемых полуфабрикатов и исследование повреждаемости металла в технологии холодной штамповки полых осесимметричных деталей из ниобия с применением процесса вытяжки. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи: 1. Анализ области исследований, существующих решений в повышении качества деталей и полуфабрикатов из тугоплавких металлов, оценка возможности применения вытяжки с утонением стенки в технологическом процессе изготовления полых осесимметричных деталей из ниобия. 2. Экспериментальное исследование физико-механических и технологических свойств ниобия в процессе холодной штамповки детали «экран», оценка повреждаемости металла полуфабрикатов на операциях технологического процесса. 3. Исследование влияния модификации рабочей поверхности инструмента для штамповки деталей из ниобия на качество штампуемых полуфабрикатов, установление закономерностей влияния технологических факторов на повреждаемость металла в процессе вытяжки. 4. Разработка математической модели, позволяющей моделировать поврежденность металла на операциях вытяжки с утонением стенки, в зависимости от фактора трения по поверхностям рабочего инструмента. 5. Разработка практических рекомендаций по повышению качества штампуемых полуфабрикатов в технологическом процессе изготовления «экрана» из ниобия с применением вытяжки и внедрение полученных результатов в производство корпусных деталей из тугоплавких металлов.
Объектом исследования являются полые тонкостенные осесимметричные детали типа «экран» изготавливаемые из ниобия НбПл-1.
Личный вклад автора заключается в установлении общей концепции работы, формулировке цели и задач исследования, аналитическом построении математической модели, разработке плана и программы экспериментальных исследований и разработке практических рекомендаций по рациональному построению технологического процесса изготовления полых деталей из ниобия. Эксперименты выполнены при участии сотрудников и студентов старших курсов кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» БГТУ «ВОЕНМЕХ» под руководством и при непосредственном участии автора.
Научная новизна работы заключается: − в установлении закономерностей влияния накопленных остаточных напряжений на качество штампуемых деталей из ниобия в условиях пластической деформации с учетом неоднородности и изменения структуры материала; − в экспериментальном доказательстве снижения адгезии и сглаживания поверхности инструмента при применении фторорганических активных смазочных покрытий на основе определения краевого угла смачивания; − в определении влияния модификации инструмента на снижение повреждаемости металла, повышения качество полученных полуфабрикатов из ниобия на основе результатов микроструктурного и рентгеноструктурного анализа и сокращения операций термообработки (межоперационного отжига); − в построении математической модели взаимодействия инструмента и заготовки, учитывающей разные условия трения по контактным поверхностям, а также вычислении степени деформации без упрощающего условия ГубераМизеса.
Практическая значимость работы заключается в следующем: − разработана методика модификации штамповочного инструмента с помощью фторорганической нанокомпозиции «Валкон», что снижает повреждаемость металла на операциях в 2,5 раза и практические рекомендации по применению фторорганического покрытия для модификации поверхности инструмента для штамповки изделий из тугоплавких металлов ; − разработан новый технологический процесс изготовления осесимметричных деталей «Экран» из ниобия НбПл-1 с применением вытяжки с утонением стенки при покрытии инструмента фторорганической нанокомпозицией, что подтверждено актом внедрения в производственную деятельность ПАО «Светлана», г. Санкт-Петербург; − разработан способ повышения деформационных свойств тугоплавких металлов (техническая сущность способа защищена патентом №2685298).
На защиту выносятся следующие положения: − результаты исследования механических свойств и микроструктуры ниобия при различных режимах термообработки; − результаты определения краевого угла смачивания и влияния модификации рабочего инструмента фторсодержащими поверхностно-активными веществами на повреждаемость металла и штампуемость ниобия НбПл-1; − математическая модель взаимодействия инструмента и заготовки с учетом искажения горизонтального слоя при различных условиях трения по поверхностям контакта с пуансоном и матрицей; − разработанные рекомендации по применению фторорганической нанокомпозиции в построении технологических процессов изготовления тонкостенных изделий из ниобия с применением глубокой вытяжки.
Методология и методы исследования. Научная методология исследований заключается в системном подходе при проведении механических испытаний растяжением образцов из ниобия после вакуумного отжига, контроле твердости вытягиваемых заготовок, определении влияния модификации рабочего инструмента активным покрытием на основе фторорганической нанокомпозиции на коэффициент трения и величину остаточных напряжений по методике измерения краевого угла смачивания и определения свободной поверхностной энергии. Все экспериментальные исследования проведены с использованием современного испытательного оборудования, а также методов микроструктурного, рентгеноструктурного и математического анализа.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного сертифицированного измерительного и экспериментального оборудования, использованием апробированных методов исследования, необходимым количеством экспериментальных данных, согласующихся с исследованиями других авторов, а также наличием акта внедрения в производство разработанной технологии изготовления детали «экран».
Соответствие паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.02.08 − Технология машиностроения по пунктам: 2. Технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости. 3. Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения. 7. Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин..
рхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.. Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: Общероссийская научно-практическая конференция «Инновационные технологии и технические средства специального назначения» (Санкт-Петербург, 2018, 2019, 2020), Общероссийская научнотехническая конференция «Уткинские чтения» (Санкт-Петербург, 2019), Общероссийская молодежная научно-техническая конференция «Молодежь. Техника. Космос» (Санкт-Петербург, 2017), Всероссийский межотраслевой молодежный конкурс научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2019), Общероссийский конкурс на лучшую научно-техническую работу среди молодых ученых и специалистов «Будущее в чертежах» (Санкт-Петербург, 2019), Международная конференция ASE-I-2021 «Прикладная наука и инжиниринг» (Грозный, 2021), Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королева (Москва, 2021), Научно-практический семинар ОАО «Авангард» «НТФ «ТЕХНОКОН» «Термообработка сталей и сплавов. Новые технологии, современное оборудование» (Санкт-Петербург, 2018, 2019), семинар «Российский металлорежущий инструмент: достижения, новые технические возможности, опыт внедрения и эксплуатации» (Кировград, 2019). Отдельные этапы работы представлены на конкурсах: победа во Всероссийской конкурсной программе «Умник» (2016), победа на конкурсе грантов Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук (2019),победа на Всероссийском конкурсе молодежных проектов «Байкал» (Иркутск, 2019), диплом об участии в конкурсе-акселераторе инновационных проектов «Большая разведка» (2020).