Me përparimin e shpejtë të teknologjisë së aviacionit, materialet metalike të hapësirës ajrore përballen me kërkesa të ngutshme për performancë të lehtë, jetëgjatësi të gjatë shërbimi dhe përshtatshmëri të shkëlqyer mjedisore. Aliazhet e titanit, si një material i ri i lehtë i zhvilluar gjatë dekadave të fundit, shfaqin veti superiore siç janë forca e lartë specifike, fortësia e shkëlqyer, toleranca e lartë ndaj dëmtimeve, rezistenca e fortë ndaj korrozionit dhe saldueshmëria e mirë. Këto karakteristika i kanë bërë ato thelbësore në uljen e peshës strukturore të avionëve, rritjen e efikasitetit strukturor dhe përmirësimin e besueshmërisë së përgjithshme, duke i vendosur ato si një nga materialet kryesore strukturore për avionët e përparuar.[1–5]Aliazhet e titanit kanë evoluar nga lloje me rezistencë të ulët deri në mesatare në lloje me rezistencë të lartë, me aliazhet me rezistencë të lartë dhe rezistencë të lartë që po bëhen një trend i madh global në aplikimet e aviacionit - materiale ideale për komponentë kritikë që mbajnë ngarkesë, si kornizat e avionëve, pjesët e ingranazheve të uljes dhe lidhësit e nyjeve. Aliazhe përfaqësuese të titanit me rezistencë të lartë dhe rezistencë të lartë, si Ti-1023, Ti-15-3, β-C, β-21S, BT22, TC21 dhe Ti-5553.[6–10]janë përdorur gjerësisht. Megjithatë, kur aplikohen në komponentët aktualë të hapësirës ajrore, këto aliazhe prapëseprapë nuk arrijnë të kalojnë një nivel fortësie prej 1250 MPa.

Në vitet e fundit, të nxitura nga kërkesa në rritje për materiale të lehta në industrinë hapësinore, institucionet kërkimore kanë kryer studime mbi lidhjet e titanit me rezistencë ultra të lartë me nivele fortësie prej 1300 MPa e lart.[11–15], me qëllim përmirësimin e mëtejshëm të efikasitetit strukturor, arritjen e një reduktimi më të madh të peshës duke siguruar sigurinë dhe besueshmërinë, si dhe ofrimin e përfitimeve teknike dhe ekonomike superiore.

1. Vendosja e Modeleve të Materialeve

Ky studim përdor një aliazh titaniumi me rezistencë ultra të lartë të tipit β të tipit metastabil të përforcuar me shumë elementë, të zhvilluar rishtazi në Ti-Al-Mo-VCr-Zr, me përbërje nominale (sipas fraksionit në masë) prej 4% Al, 5% Mo, 6% V, 3% Cr dhe 1% Zr. Përcaktimi i saktë i parametrave fizikë të Ti-46531 është thelbësor për studimet e simulimit numerik; kështu, parametrat kryesorë - duke përfshirë kapacitetin specifik të nxehtësisë, përçueshmërinë termike dhe koeficientin e zgjerimit linear - në temperatura të ndryshme u matën eksperimentalisht, siç tregohet në Tabelën 1. Tabela tregon se ndërsa kapaciteti specifik i nxehtësisë mbetet relativisht konstant me rritjen e temperaturës, si përçueshmëria termike ashtu edhe koeficienti i zgjerimit linear tregojnë rritje të konsiderueshme. Përveç kësaj, materiali shfaq një pikë tranzicioni fazor në 820°C, një dendësi prej 4690 kg·m⁻³ në temperaturën e dhomës dhe një raport Poisson prej 0.32.

Testet e kompresimit me temperaturë konstante dhe shkallë konstante të deformimit u kryen në makinën e testimit të simulimit termik Gleeble-3800, duke dhënë një model përbërës për lidhjen e titanit Ti-46531 bazuar në temperaturën, shkallën e deformimit dhe madhësinë e deformimit. Lidhjet e titanit të tipit β zakonisht farkëtohen në temperatura 20-50 °C nën pikën e tyre të tranzicionit të fazës, me shkallë deformimi që variojnë nga 0.001 në 1.0 s⁻¹; si pasojë, testet e kompresimit termik u kryen në temperatura prej 720, 750, 780, 810, 840, 870 dhe 900 °C me shkallë deformimi prej 0.001, 0.01, 0.1 dhe 1.0 s⁻¹.

Kurbat e vërteta të stresit-deformimit të vërtetë të lidhjes së titanit Ti-46531 në kushte të ndryshme deformimi tregohen në Figurën 1. Siç ilustrohet, stresi reologjik zvogëlohet me rritjen e temperaturës dhe rritet me rritjen e shkallës së deformimit; si shkalla e deformimit ashtu edhe temperatura e deformimit ndikojnë ndjeshëm në stresin reologjik. Në të njëjtën shkallë deformimi, stresi reologjik në 700 °C është 2-3 herë më i madh se në 900 °C; në të njëjtën temperaturë, stresi i rrjedhjes në një shkallë deformimi prej 1.0 s⁻¹ është 3-5 herë më i madh se në 0.001 s⁻¹. Ndjeshmëria e lartë e stresit të rrjedhjes së Ti-46531 ndaj temperaturës së deformimit dhe shkallës së deformimit rrit ndjeshëm vështirësinë e përpunueshmërisë së farkëtimit.

2. Projektimi i procesit të farkëtimit

Struktura tipike e farkëtimit të lidhjes së titanit Ti-46531 është treguar në Figurën 2. Farkimi peshon 8.0 kg dhe ka dimensione të jashtme prej 447 mm × 117 mm × 74 mm. Ai shfaq një konfigurim simetrik nga lart-poshtë, me planin e simetrisë që shërben si sipërfaqja maksimale e projeksionit të konturit të tij; kështu, ky plan u zgjodh si vija ndarëse. Dimensionet e lejuara janë si më poshtë: 5 mm në anën e jashtme të strukturave unazore në të dy skajet, 10.5 mm për rrjetën qendrore dhe 8 mm për të gjitha zonat e tjera. Këndi i nxjerrjes është 7°; rrezja e prerjes për brazdën qendrore është 20 mm, ndërsa ajo për seksionin e spikatur është 8 mm; për të gjitha zonat e tjera, rrezja e prerjes është 5 mm.

Plani i procesit të farkëtimit i zhvilluar bazuar në strukturën dhe vetitë e materialit të farkëtimit tregohet në Figurën 3. Procedura specifike është si më poshtë: Së pari, pritet shufra rrethore në një boshllëk dhe priten të dyja skajet; pastaj formohet me shpejtësi boshllëku duke përdorur një makinë farkëtimi me çekiç, e ndjekur nga bluarja për të hequr defektet sipërfaqësore; së fundmi, kryhet presimi me një kalim të vetëm në një presë elektrike me vidë 8000 tonëshe ose në një presë hidraulike 5000 tonëshe.

3. Simulimi dhe Analiza e Formëzimit

3.1 Cilësimet e Parametrave të Simulimit

Presat elektrike me vidë dhe presat hidraulike përdoren zakonisht për formimin e farkëtimeve komplekse nga metale të vështira për t'u deformuar, secila duke ofruar avantazhe të dallueshme në karakteristikat e formimit, metodat e kontrollit dhe përshtatshmërinë e procesit. Për të përcaktuar pajisjet optimale të formimit për farkëtimet tipike të lidhjeve të titanit Ti-46531, u aplikuan teknika të simulimit numerik të përdorura gjerësisht në formimin e metal-plastikës për të modeluar proceset e formimit të këtyre farkëtimeve si në presa hidraulike ashtu edhe në presa elektrike me vidë duke përdorur simulime kompjuterike. Një analizë krahasuese u krye mbi parametrat kryesorë teknikë - duke përfshirë performancën e mbushjes, fushat e tendosjes dhe fushat e temperaturës - për të identifikuar pajisjet më të përshtatshme të formimit.

Cilësimet e parametrave të simulimit të farkëtimit tregohen në Tabelën 2. Parametrat e simulimit për presën elektrike me vidë dhe presën hidraulike janë në thelb identike: pas zbrazjes, boshllëku ngrohet përsëri me një temperaturë fillestare farkëtimi prej 780°C; temperatura e parangrohjes së matrices është 350°C, dhe koeficienti i fërkimit midis boshllëkut dhe matrices është 0.3. Shpejtësia e presimit të matrices së sipërme në presën hidraulike është afërsisht 10 mm·s⁻¹. Për të parandaluar rënien e tepërt të temperaturës së boshllëkut, ai zakonisht mbështillet me material izolues, duke rezultuar në një koeficient të transferimit të nxehtësisë midis boshllëkut dhe matrices prej 1 N·(s·mm·°C)⁻¹. Për presën elektrike me vidë, koeficienti i transferimit të nxehtësisë midis matrices dhe boshllëkut gjatë formimit është 5 N·(s·mm·°C)⁻¹, dhe shpejtësia e formimit kontrollohet nga hyrja e energjisë; cilësimet specifike të parametrave të lëvizjes paraqiten në Tabelën 3.

3.2 Analiza e Rezultateve të Simulimit

Procesi i formimit të pjesës së derdhur ilustrohet në Figurën 4, ku Figurat 4a dhe 4b tregojnë proceset e formimit të shpatës së shkurtër nën një presë hidraulike dhe një presë elektrike me vidë, përkatësisht.

Siç tregohet në Figurën 4, boshllëku është pozicionuar me saktësi brenda matrices; ndërsa matrica e sipërme lëviz poshtë, të dy skajet e boshllëkut kontaktojnë njëkohësisht me matricën pa zhvendosje të ngurtë, duke siguruar një proces të qëndrueshëm formimi; ndërsa matrica e sipërme vazhdon të lëvizë poshtë, sipërfaqja e sipërme e boshllëkut gradualisht përputhet me zgavrën e matrices, me të gjitha pjesët e farkëtimit që formohen pothuajse njëkohësisht, në të cilën pikë fillon të formohet shkëndija; kur presioni në matricën e sipërme zvogëlohet me 2 mm, farkëtimi mbushet plotësisht me shkëndijë minimale dhe shfaq shfrytëzim të lartë të materialit. Një analizë gjithëpërfshirëse e procesit të formimit me farkëtim zbulon se ka dallime minimale midis proceseve të formimit në presa hidraulike dhe presa elektrike me vidë.

Shpërndarja e temperaturës së pjesës së farkëtuar pas farkëtimit tregohet në Figurën 5 (vija e drejtë tregon pozicionin e prerjes tërthore; Figurat 5a dhe 5b përshkruajnë shpërndarjet e temperaturës gjatë formimit me pres hidraulik dhe formimit me pres elektrike me vidë, përkatësisht). Siç tregohet në Figurën 5, zona e shkrepjes shfaq temperatura më të larta, ndërsa temperatura e sipërfaqes është më e ulët me ndryshime minimale në qendër. Gjatë formimit me pres hidraulik, temperatura minimale arrin 456°C dhe maksimumi arrin 845°C; ndërsa gjatë formimit me pres elektrike me vidë, temperatura minimale është 783°C dhe maksimumi arrin 1090°C. Krahasimi zbulon modele të dallueshme të temperaturës: në formimin me pres hidraulik, temperatura e trupit ulet progresivisht nga brenda në pjesën e jashtme, me temperaturat e sipërfaqes që bien nën 732°C dhe temperaturat qendrore që tejkalojnë 796°C, kryesisht të përqendruara midis 700–812°C; në formimin me pres elektrike me vidë, temperaturat rriten në rajone të ndryshme - me zonat e shkrepjes që tejkalojnë 885°C dhe diapazoni kryesor i temperaturës së trupit është 780–840°C. Në përgjithësi, formimi me presën elektrike me vidë rezulton në një shpërndarje më uniforme të temperaturës në të gjithë pjesën e farkëtuar.

Shpërndarja ekuivalente e sforcimit të farkëtimit pas farkëtimit tregohet në Figurën 6 (vija e drejtë në Figurën 6 tregon pozicionin e prerjes tërthore). Figurat 6a dhe 6b ilustrojnë shpërndarjet ekuivalente të sforcimit gjatë formimit me pres hidraulik dhe formimit me pres elektrike me vidë, përkatësisht. Siç tregohet në Figurën 6, sforcimi minimal ekuivalent gjatë formimit me pres hidraulik është 0.08, ndërsa maksimumi është 19.900; gjatë formimit me pres elektrike me vidë, sforcimi minimal ekuivalent është 0.12 dhe maksimumi është 9.070. Sforcimi ekuivalent është më i lartë në zonën e shpërthimit dhe më i ulët në sipërfaqe, me vlera që variojnë nga 0.25 në 0.5 në rajonin qendror. Shpërndarja ekuivalente e fushës së sforcimit gjatë formimit me pres elektrike me vidë është më uniforme se ajo gjatë formimit me pres hidraulik.

Shpërndarja e temperaturës së matrices së poshtme është treguar në Figurën 7, ku figurat 7a dhe 7b përshkruajnë shpërndarjet e temperaturës gjatë formimit me pres hidraulik dhe formimit me presion elektrik me vidë, përkatësisht. Siç ilustrohet në Figurën 7, temperatura minimale e matrices së poshtme gjatë formimit me pres hidraulik varion nga 349 °C në 619 °C, ndërsa ajo gjatë formimit me presion elektrik me vidë varion nga 349 °C në 448 °C. Bazuar në tendencat e shpërndarjes së temperaturës, zgavra e matrices së poshtme shfaq karakteristika të ngjashme në të dyja metodat e formimit.

Temperaturat u rritën në shkallë të ndryshme, me një rritje mesatare prej afërsisht 150 °C. Gjatë formimit me presën elektrike me vidë, rritja e temperaturës në zgavrën e poshtme të mykut ishte e kufizuar, me vetëm rritje të lokalizuara të temperaturës prej rreth 100 °C në të dy skajet e zgavrës. Temperatura e mykut është një faktor kritik që ndikon në jetëgjatësinë e shërbimit; temperaturat tepër të larta mund të shkaktojnë kalitje dhe zbutje të materialit, të përshpejtojnë deformimin e zvarritjes dhe rrjedhimisht të shkurtojnë jetëgjatësinë e shërbimit. Prandaj, mund të konkludohet se përdorimi i një presoje elektrike me vidë rezulton në temperatura relativisht më të ulëta të mykut, duke zgjatur kështu jetëgjatësinë e shërbimit të mykut.

Ngarkesat e formimit të aplikuara në farkëtime ilustrohen në Figurën 8, ku Figurat 8a dhe 8b tregojnë përkatësisht kurbat e kohës së ngarkesës për formimin me presën hidraulike dhe presën elektrike me vidë. Siç tregohet në Figurën 8, procesi i presës hidraulike zgjati 5.83 sekonda me një ngarkesë përfundimtare formimi prej 4.0 × 10⁴ kN, ndërsa presës elektrike me vidë iu deshën vetëm 0.16 sekonda me një ngarkesë maksimale formimi prej 6.1 × 10⁴ kN. Edhe pse koha e formimit për presën elektrike me vidë është dukshëm më e shkurtër, ngarkesa e saj e formimit është afërsisht 50% më e lartë se ajo e presës hidraulike.

Një krahasim i proceseve të formimit të farkëtimeve tipike të lidhjes së titanit Ti-46531 në presa hidraulike dhe presa elektrike me vidë zbulon: (1) Proceset e mbushjes janë pothuajse identike, me të gjitha farkëtimet që arrijnë mbushje të plotë; (2) Gjatë formimit në një presë elektrike me vidë, fusha e temperaturës dhe shpërndarja izotropike e fushës së tendosjes janë më uniforme; (3) Për shkak të shpejtësisë më të lartë të formimit dhe rritjes më të ulët të temperaturës së mykut, presa elektrike me vidë ofron jetëgjatësi më të madhe të shërbimit të mykut. Duke marrë parasysh këta faktorë, një presë elektrike me vidë 8000 tonësh u zgjodh si pajisja e testimit për farkëtimin e farkëtimeve të lidhjes së titanit Ti-46531.

4. Rezultatet eksperimentale

Formëzimi tipik u testua në një presë elektrike me vidë 8000 tonëshe, me rezultatet e paraqitura në Figurën 9. Siç dëshmohet nga mostra fizike në Figurën 9, farkëtimi u mbush plotësisht pa asnjë çarje palosëse, duke konfirmuar vlefshmërinë e rezultateve të simulimit.

Përfundim

(1) Përmes eksperimenteve, u përcaktuan parametrat fizikë të lidhjes së titanit Ti-46531 - duke përfshirë kapacitetin specifik të nxehtësisë, përçueshmërinë termike dhe koeficientin e zgjerimit linear - dhe u krijua një model konstitutiv për Ti-46531 bazuar në temperaturën, shkallën e sforcimit dhe deformimin.

(2) U projektua një pjesë tipike farkëtimi dhe procesi i saj i farkëtimit për lidhjen e titanit Ti-46531. Duke përdorur analizën e simulimit numerik, u krahasuan proceset e formimit të kësaj pjese farkëtimi në presa hidraulike dhe presa elektrike me vidë, dhe pajisja optimale e farkëtimit u identifikua si një presë elektrike me vidë 8000 tonëshe.

(3) Testet përfundimtare të farkëtimit u kryen në presën elektrike me vidë 8000 tonëshe, me rezultate që përmbushën specifikimet e projektimit; farkëtimet shfaqën mbushje të plotë pa defekte të tilla si palosje ose çarje.

翻译

搜索

复制