RU2792249C1 - Device for manufacturing aircraft shell from titanium alloy pipe blank in superplastic state and method for manufacturing shell in the device - Google Patents
Device for manufacturing aircraft shell from titanium alloy pipe blank in superplastic state and method for manufacturing shell in the device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792249C1 RU2792249C1 RU2022102965A RU2022102965A RU2792249C1 RU 2792249 C1 RU2792249 C1 RU 2792249C1 RU 2022102965 A RU2022102965 A RU 2022102965A RU 2022102965 A RU2022102965 A RU 2022102965A RU 2792249 C1 RU2792249 C1 RU 2792249C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- matrix
- flanges
- cavity
- tubular
- container
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Техническое решение относится к области обработки титановых сплавов давлением, конкретно методом термо - пневмо формования в состоянии сверхпластичности, с целью изготовления оболочек различной формы с тонкими сложнопрофильными стенками, с фланцами и гаргротами (выступами или углублениями с одинаковой толщиной стенки), например, обечаек, или корпусов топливных баков (далее по тексту - оболочек) из титановых сплавов для летательных аппаратов (ЛА).The technical solution relates to the field of pressure treatment of titanium alloys, specifically by the method of thermo-pneumatic molding in a state of superplasticity, in order to manufacture shells of various shapes with thin complex walls, with flanges and fairings (protrusions or recesses with the same wall thickness), for example, shells, or fuel tank bodies (hereinafter referred to as shells) made of titanium alloys for aircraft (LA).
Известен способ (аналог) - "Способ изготовления оболочек" (см. патент США №3572073 от 23.03.1971 г.), в котором описан способ, согласно которому полый цилиндрический полуфабрикат, полученный путем гибки и сварки листовой заготовки формуют в режиме сверхпластичности давлением газовой или жидкой среды, подаваемой внутрь полуфабриката.A known method (analogue) - "Method of manufacturing shells" (see US patent No. 3572073 dated March 23, 1971), which describes a method according to which a hollow cylindrical semi-finished product obtained by bending and welding a sheet blank is formed in the superplasticity mode by gas pressure or a liquid medium supplied inside the semi-finished product.
Известно так же устройство (ближайший аналог) для получения сложнопрофильных оболочек из трубных заготовок (см. патент РФ №122050 от 20.11.2012 "Устройство для получения сложнопрофильных оболочек из трубных заготовок в состоянии сверхпластичности").A device (the closest analogue) is also known for producing complex-shaped shells from tubular blanks (see RF patent No. 122050 dated November 20, 2012 "Device for producing complex-shaped shells from tubular blanks in a state of superplasticity").
Данное устройство представляет собой термостатированный контейнер (6), в котором находится формообразующая матрица (1) с прижимными крышками (4) и (5) для герметизации и фиксации трубной заготовки (13), в одной из которых предусмотрен штуцер (11) с каналом для подвода газовой среды высокого давления. Формообразующая матрица (1) выполнена четырехсекционной, в кольцевых рифтах (8) и (9) и пазах которой отсутствуют микроотверстия противодавления. Дополнительно в формообразующую матрицу введен штуцер (12) с каналом для вакуумирования полости между трубной заготовкой (13) и формообразующей матрицей (1).This device is a temperature-controlled container (6), in which there is a forming matrix (1) with clamping covers (4) and (5) for sealing and fixing the tubular billet (13), one of which has a fitting (11) with a channel for high pressure gas medium supply. The shaping matrix (1) is made of four sections, in the annular rifts (8) and (9) and the grooves of which there are no counterpressure micro-holes. Additionally, a fitting (12) with a channel for evacuating the cavity between the tubular blank (13) and the forming matrix (1) is introduced into the shaping matrix.
Основным важным недостатком этого устройства является отсутствие вакуумирования внутренней полости трубной заготовки перед ее герметизацией и нагревом, что не позволяет изготовить с его помощью из трубной заготовки титанового сплава обечайку, или корпус топливного бака с требуемым качеством. Другим важным недостатком этого устройства является отсутствие регулируемого воздействия на прижимные крышки для их фиксации при подаче газовой среды высокого давления в полость трубной заготовки, что говорит о ненадежности работы данного устройства.The main important disadvantage of this device is the lack of evacuation of the inner cavity of the tubular billet before its sealing and heating, which does not allow using it to make a shell or a fuel tank body with the required quality from a titanium alloy tubular billet. Another important disadvantage of this device is the lack of a controlled effect on the clamping covers for their fixation when a high-pressure gas medium is supplied to the cavity of the billet, which indicates the unreliability of this device.
Отсутствие процесса вакуумирования внутренней полости трубной заготовки в данном устройстве приводит к тому, что атмосферный воздух, остающийся во внутренней полости трубной заготовки из титанового сплав после ее герметизации, способствует при нагреве этой трубной заготовки образованию на внутренней поверхности изготавливаемой оболочки альфа-слоя уже при 300°С, что, в свою очередь, приводит к охрупчиванию стенок этой оболочки, и ее разрушению, которое характерно, как для процесса изготовления оболочки, так и для процесса ее эксплуатации на ЛА, причем при воздействии на нее даже небольших штатных знакопеременных аэродинамических, и тепловых нагрузок.The absence of the process of evacuation of the inner cavity of the tubular blank in this device leads to the fact that atmospheric air remaining in the inner cavity of the tubular blank made of titanium alloy after its sealing contributes to the formation of an alpha layer on the inner surface of the manufactured shell already at 300°C when this tubular blank is heated. C, which, in turn, leads to embrittlement of the walls of this shell, and its destruction, which is typical both for the process of manufacturing the shell and for the process of its operation on an aircraft, and when it is exposed to even small regular sign-variable aerodynamic and thermal loads.
Процесс изготовления оболочки методом термо - пневмо формования в состоянии сверхпластичности связан с использованием газовой среды высокого давления в качестве пуансона. В процессе работы данного устройства на его прижимные крышки со стороны внутренней полости трубной заготовки будет передаваться большое силовое воздействие давления газовой среды. Так, например, при формовании тонкостенной обечайки диаметром порядка 900 мм из трубной заготовки титанового сплава диаметром порядка 380 мм и толщиной стенки порядка 8 мм, в полости трубной заготовки требуется создать давление инертной газовой среды порядка 18-20 атм. При этом, для удержания прижимных крышек требуется обеспечить (с учетом площади сечения трубной заготовки) усилие противодавления порядка 115-120 тонн. Причем, удерживающее усилие, прикладываемое к прижимным крышкам должно увеличиваться по циклограмме, постепенно, ступенчато, с нарастанием его по мере увеличения давления газовой среды от минимального, до необходимого максимального значения. Поэтому отсутствие регулируемой фиксации прижимных крышек в данном устройстве приведет при подаче газовой среды высокого давления в полость трубной заготовки к разгерметизации устройства, и, как следствие, к нарушению процесса изготовления оболочки, что свидетельствует о ненадежности работы данного устройства.The process of manufacturing the shell by thermo-pneumatic molding in a state of superplasticity is associated with the use of a high-pressure gas medium as a punch. During the operation of this device, a large force effect of the pressure of the gaseous medium will be transmitted to its clamping covers from the side of the inner cavity of the tubular billet. So, for example, when forming a thin-walled shell with a diameter of about 900 mm from a titanium alloy pipe billet with a diameter of about 380 mm and a wall thickness of about 8 mm, it is required to create an inert gas pressure of about 18-20 atm in the cavity of the pipe billet. At the same time, in order to hold the clamping covers, it is required to provide (taking into account the cross-sectional area of the pipe billet) a counterpressure force of the order of 115-120 tons. Moreover, the holding force applied to the clamping covers should increase according to the cyclogram, gradually, stepwise, with its increase as the pressure of the gas medium increases from the minimum to the required maximum value. Therefore, the absence of adjustable fixation of the clamping covers in this device will lead, when a high-pressure gas medium is supplied to the cavity of the tubular billet, to depressurization of the device, and, as a result, to a violation of the shell manufacturing process, which indicates the unreliability of this device.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение в предлагаемом устройстве глубокого вакуумирования и надежной герметизации внутренней полости трубной заготовки из титанового сплава с фланцами, и постоянной или переменной толщиной ее стенки перед ее нагревом, обеспечение возможности изготовления из этой трубной заготовки тонкостенной сложнопрофильной обечайки с фланцами и гаргротами на ее поверхности, а так же обеспечение надежности работы предлагаемого устройства.The technical result of the claimed invention is the provision in the proposed device of deep evacuation and reliable sealing of the internal cavity of the tubular blank made of titanium alloy with flanges, and a constant or variable thickness of its wall before heating it, making it possible to manufacture from this tubular blank a thin-walled complex-profile shell with flanges and fairings on its surface, as well as ensuring the reliability of the proposed device.
Технический результат достигается тем, что термостатированный контейнер выполнен из двух, герметично и жестко соединенных между собой деталей, при этом первая деталь представляет собой полый корпус с отражающим экраном на его внутренней стенке, в которой выполнены каналы для обеспечения вакуумирования полости контейнера, и канал для обеспечения подачи инертной газовой среды высокого давления в верхнюю прижимную крышку, а вторая деталь контейнера представляет собой крышку, в центральном отверстии которой установлен герметично и подвижно, через сильфон, гидрошток с регулируемым усилием воздействия на прижимные крышки, обеспечивающий сборку матрицы, и надежную герметизацию внутренней полости трубной заготовки за счет фиксации прижимных крышек в процессе всего цикла изготовления обечайки, в матрице установлена трубная заготовка из титанового сплава, выполненная с фланцами и постоянной или переменной толщиной стенки, при этом в торцах каждого элемента матрицы выполнены радиусные проточки, радиус которых не менее радиуса фланцев трубной заготовки, а на фланцах прижимных крышек со стороны, прилегающей к матрице, выполнены радиально расположенные пазы с установленными с них деформируемыми ограничительными элементами в виде отрезков металлических уголков или трубочек, и кольцевые уплотнительные выступы, заостренные в сторону матрицы, с наружным диаметром, не превышающим наружный диаметр фланцев трубной заготовки.The technical result is achieved by the fact that the temperature-controlled container is made of two parts hermetically and rigidly connected to each other, while the first part is a hollow body with a reflective screen on its inner wall, in which channels are made to ensure the evacuation of the container cavity, and a channel to provide supply of an inert high-pressure gas medium to the upper clamping cover, and the second part of the container is a cover, in the central hole of which is installed hermetically and movably, through a bellows, a hydraulic rod with an adjustable force of action on the clamping covers, which ensures the assembly of the matrix, and reliable sealing of the inner cavity of the pipe workpiece by fixing the clamping covers during the entire cycle of shell manufacture, a titanium alloy pipe workpiece is installed in the matrix, made with flanges and a constant or variable wall thickness, while at the ends of each matrix element, radius grooves are made, p the radius of which is not less than the radius of the flanges of the tubular billet, and on the flanges of the clamping covers on the side adjacent to the matrix, radially located grooves are made with deformable restrictive elements installed from them in the form of segments of metal corners or tubes, and annular sealing protrusions, pointed towards the matrix, with an outer diameter not exceeding the outer diameter of the pipe billet flanges.
Технический результат достигается также тем, что в заявляемом способе предварительно расчетно-опытным путем определяют необходимый наружный профиль и толщину стенки трубной заготовки из титанового сплава с торцевыми фланцами, и в соответствии с этим изготавливают ее механической обработкой из толстостенной трубы, покрывают термостойкой смазкой, и устанавливают в матрицу, при этом между фланцами прижимных крышек и торцевыми поверхностями элементов матрицы устанавливают деформируемые ограничительные элементы, выполненные в виде отрезков уголков или трубок, с образованием радиальных зазоров между фланцами прижимных крышек и фланцами трубной заготовки, после чего матрицу размещают в контейнер, который затем герметично и жестко закрывают крышкой, и осуществляют одновременное вакуумирование полости вне трубной заготовки, и полости внутри ее через каналы в стенке контейнера, а герметизацию внутренней полости трубной заготовки осуществляют с помощью перемещения гидроштока в сторону матрицы, до момента смятия деформируемых ограничительных элементов, и полного прижатия крышек к матрице, затем осуществляют нагрев трубной заготовки электронагревателем до заданной температуры, подачу рабочего давления инертной газовой среды через канал одной из прижимных крышек во внутреннюю полость трубной заготовки по расчетной программе нагружения.The technical result is also achieved by the fact that in the inventive method, the necessary external profile and wall thickness of a titanium alloy pipe blank with end flanges are determined in advance by calculation and experiment, and in accordance with this, it is made by machining from a thick-walled pipe, coated with a heat-resistant lubricant, and installed in the matrix, while between the flanges of the clamping covers and the end surfaces of the elements of the matrix, deformable restrictive elements are installed, made in the form of segments of corners or tubes, with the formation of radial gaps between the flanges of the clamping covers and the flanges of the tubular billet, after which the matrix is placed in a container, which is then hermetically and rigidly closed with a lid, and simultaneous evacuation of the cavity outside the tubular blank and the cavity inside it through the channels in the container wall is carried out, and the sealing of the inner cavity of the tubular blank is carried out by moving the hydraulic rod towards the matrix, up to the moment of collapse of the deformable restrictive elements, and the covers are completely pressed against the matrix, then the tubular billet is heated with an electric heater to a predetermined temperature, the working pressure of the inert gas medium is supplied through the channel of one of the clamping covers into the internal cavity of the tubular billet according to the calculated loading program.
Устройство снабжено фиксаторами положения крышек, размещенными в пазах, выполненных в торцах элементов матрицы, а так же, и в соответствующих крышках;The device is equipped with lid position locks placed in the grooves made at the ends of the matrix elements, as well as in the corresponding lids;
Фланцы трубной заготовки размещают в выполненных в матрице углублениях округлой формы заподлицо.The flanges of the tubular billet are placed flush in round recesses made in the matrix.
Сущность заявляемых технических решений поясняется графическими материалами, представленными на Фиг. 1-10.The essence of the proposed technical solutions is illustrated by the graphic materials presented in Fig. 1-10.
На Фиг. 1 представлен термостатированный контейнер устройства со сборно-разборной формообразующей матрицей, и с установленной в ней трубной заготовкой из титанового сплава с фланцами и с переменной толщиной стенки, а так же с прижимными крышками, установленными с радиальными зазорами к фланцам трубной заготовки.On FIG. 1 shows a temperature-controlled container of the device with a collapsible forming matrix, and with a titanium alloy pipe blank installed in it with flanges and with a variable wall thickness, as well as with clamping covers installed with radial clearances to the pipe blank flanges.
На Фиг. 2 представлен термостатированный контейнер устройства со сборно-разборной формообразующей матрицей, и с установленной в ней трубной заготовкой из титанового сплава с фланцами и с переменной толщиной стенки, с верхней прижимной крышкой, плотно прижатой к верхнему фланцу матрицы, и к верхнему фланцу трубной заготовки.On FIG. Figure 2 shows a temperature-controlled container of the device with a collapsible forming matrix, and with a titanium alloy pipe blank installed in it with flanges and with a variable wall thickness, with an upper clamping cover tightly pressed against the upper flange of the matrix, and to the upper flange of the tubular blank.
На Фиг. 3 представлен термостатированный контейнер устройства со сборно-разборной формообразующей матрицей, и с установленной в ней трубной заготовкой из титанового сплава с фланцами и с переменной толщиной стенки, с прижимными крышками, плотно прижатыми к матрице.On FIG. 3 shows a temperature-controlled container of the device with a collapsible forming matrix, and with a titanium alloy pipe blank installed in it with flanges and with a variable wall thickness, with clamping covers tightly pressed against the matrix.
На Фиг. 4 представлен термостатированный контейнер устройства с формообразующей матрицей, и с изготовленной обечайкой.On FIG. 4 shows a temperature-controlled container of the device with a shaping matrix, and with a manufactured shell.
На Фиг. 5 представлены предварительно изготовленная трубная заготовка из титанового сплава, и изготовленная из нее обечайка.On FIG. 5 shows a prefabricated titanium alloy tube blank and a shell made from it.
На Фиг. 6 представлен элемент сборно-разборной матрицы с торцевыми радиусными проточками, (аксонометрия, разрез).On FIG. 6 shows an element of a collapsible matrix with end radius grooves, (axonometry, section).
На Фиг. 7 представлен фрагмент верхнего радиального зазора между фланцем верхней прижимной крышки и верхним фланцем трубной заготовки.On FIG. 7 shows a fragment of the upper radial gap between the flange of the upper clamping cover and the upper flange of the tubular billet.
На Фиг. 8 представлена верхняя прижимная крышка со стороны ее фланца, (аксонометрия, разрез).On FIG. 8 shows the upper clamping cover from the side of its flange, (axonometry, section).
На Фиг. 9 представлен скриншот 3D модели термостатированного контейнера устройства, (аксонометрия, разрез).On FIG. Figure 9 shows a screenshot of a 3D model of the temperature-controlled container of the device, (axonometry, section).
На Фиг. 10 представлено фото формообразующей матрицы для изготовления обечайки из трубной заготовки титанового сплава с фланцами и переменной толщиной стенки, а так же показаны деформируемые ограничительные элементы, выполненные в виде коротких трубочек, установленных между фланцами прижимных крышек и торцами матрицы.On FIG. 10 shows a photo of a forming matrix for manufacturing a shell from a titanium alloy tubular billet with flanges and a variable wall thickness, and also shows deformable restrictive elements made in the form of short tubes installed between the flanges of the clamping covers and the ends of the matrix.
Конструкция предлагаемого устройства включает следующие элементы, обозначенные позициями на чертежах (см. Фиг. 1-10).The design of the proposed device includes the following elements, indicated by positions in the drawings (see Fig. 1-10).
1 - полый корпус термостатированного контейнера;1 - hollow body of a temperature-controlled container;
2 - крышка корпуса термостатированного контейнера;2 - cover of the case of the temperature-controlled container;
3 - сборно-разборная формообразующая матрица;3 - collapsible forming matrix;
4 - трубная заготовка из титанового сплава с фланцами и переменной толщиной стенки;4 - tubular billet made of titanium alloy with flanges and variable wall thickness;
5 - внутренняя полость трубной заготовки (4);5 - internal cavity of the pipe billet (4);
6 - верхний фланец трубной заготовки (4);6 - upper flange of the pipe billet (4);
6' - нижний фланец трубной заготовки (4);6' - lower flange of the pipe billet (4);
7 - верхняя прижимная крышка;7 - upper clamping cover;
8 - нижняя прижимная крышка;8 - lower clamping cover;
7' - фланец верхней прижимной крышки (7);7' - flange of the upper clamping cover (7);
8' - фланец нижней прижимной крышки (8);8' - flange of the lower clamping cover (8);
9 - канал в верхней прижимной крышке (7) для подачи инертной газовой среды в полость (5) трубной заготовки (4);9 - channel in the upper clamping cover (7) for supplying an inert gaseous medium into the cavity (5) of the tubular billet (4);
10 - фиксаторы положения прижимных крышек (7) и (8);10 - clamps for the position of the clamping covers (7) and (8);
11 - радиусные проточки на торцах элементов матрицы (3);11 - radius grooves on the ends of the matrix elements (3);
12 - радиально расположенные углубления;12 - radial recesses;
13 - деформируемые ограничительные элементы (уголки);13 - deformable restrictive elements (corners);
14 - уплотнительный выступ верхней прижимной крышки (7);14 - sealing protrusion of the upper clamping cover (7);
14' - уплотнительный выступ нижней прижимной крышки (8);14' - sealing protrusion of the lower pressure cover (8);
15 - верхний радиальный зазор;15 - upper radial clearance;
15' - нижний радиальный зазор;15' - lower radial clearance;
16 - электронагреватель;16 - electric heater;
17 - отражающий экран;17 - reflective screen;
18 - каналы в корпусе (2) для вакуумизации контейнера;18 - channels in the body (2) for the vacuumization of the container;
19 - канал в корпусе (2) для подачи инертной газовой среды высокого давления в канал (9) верхней прижимной крышки (7);19 - channel in the housing (2) for supplying high-pressure inert gas medium to the channel (9) of the upper clamping cover (7);
20 - сильфон;20 - bellows;
21 - гидрошток с регулируемым усилием воздействия на крышки (7) и (8);21 - hydraulic rod with adjustable force on covers (7) and (8);
22 - изготовленная обечайка.22 - made shell.
Устройство для изготовления обечайки летательного аппарата из трубной заготовки титанового сплава с фланцами в состоянии сверхпластичности содержит термостатированный контейнер, выполненный из двух, герметично и жестко соединенных между собой теплоизолированных деталей - полого корпуса (1), и его крышки (2). В корпусе (1) размещена сборно-разборная формообразующая матрица (3), в которую установлена трубная заготовка (4) из титанового сплава с внутренней полостью (5), и с предварительно выполненными механической обработкой фланцами (6) и (6'), и наружным профилем ее стенки. Заготовка (4) фиксируется в матрице (3) верхней прижимной крышкой (7) с фланцем (7'), и нижней прижимной крышкой (8) с фланцем (8'). В крышке (7) выполнен канал (9) для подвода в полость (5) заготовки (4) инертной газовой среды высокого давления. Каждый элемент сборно-разборной матрицы (3) с торцов выполнен с углублениями для установки в них фиксаторов (10) положения крышек (7) и (8), и с радиусными проточками (11), образующими с торцов матрицы (3) углубления округлой формы с диаметром, ни меньшим диаметра фланцев (6) и (6') заготовки (4). При этом фланцы (6) и (6') заготовки (4) размещают в углублениях округлой формы матрицы (3) заподлицо. На фланцах (7') и (8') соответственно крышек (7) и (8), с их внутренней стороны, прилегающей к матрице (3) расположены радиально углубления (12), выполненные в виде пазов для установки в них деформируемых ограничительных элементов (13), выполненных в виде отрезков металлических уголков или трубочек, и так же расположены кольцевые уплотнительные выступы (14) и (14'), заостренные в сторону матрицы (4), с наружным диаметром, не превышающим наружный диаметр фланцев (6) и (6') заготовки (4), а так же расположены пазы для установки в них фиксаторов (10). В частном случае исполнения деформируемые ограничительные элементы (13) могут быть выполнены из легкоплавкого материала, с температурой плавления меньшей температуры формования обечайки. Деформируемые ограничительные элементы (13) обеспечивают радиальные зазоры (15) и (15') между фланцами (7') и (8') крышек (7) и (8) соответственно, и фланцами (6) и (6') заготовки (4), через которые осуществляют вакуумирование внутренней полости (5) заготовки (4). Вокруг матрицы (3) установлен электронагреватель (16) с отражающим экраном (17), жестко закрепленным на внутренней стенке корпуса (1). В стенке корпуса (1) выполнены каналы (18) для обеспечения вакуумирования полости контейнера, и канал (19) для обеспечения подачи инертной газовой среды высокого давления в верхнюю прижимную крышку (7). Крышка (2) контейнера выполнена с центральным отверстием, в котором установлен герметично и подвижно, через сильфон (20), гидрошток (21) с регулируемым усилием воздействия на прижимные крышки (7) и (8).A device for manufacturing an aircraft shell from a titanium alloy tubular billet with flanges in a state of superplasticity contains a temperature-controlled container made of two heat-insulated parts hermetically and rigidly connected to each other - a hollow body (1) and its cover (2). In the body (1) there is a collapsible forming matrix (3), in which a tubular billet (4) made of titanium alloy with an internal cavity (5) and with pre-machined flanges (6) and (6') is installed, and the outer profile of its wall. The workpiece (4) is fixed in the matrix (3) by the upper clamping cover (7) with flange (7'), and the lower clamping cover (8) with flange (8'). In the cover (7) there is a channel (9) for supplying the cavity (5) of the workpiece (4) with an inert high-pressure gas medium. Each element of the collapsible matrix (3) from the ends is made with recesses for installing clamps (10) of the position of the covers (7) and (8) in them, and with radius grooves (11) forming rounded recesses from the ends of the matrix (3) with a diameter not less than the diameter of the flanges (6) and (6') of the blank (4). In this case, the flanges (6) and (6') of the workpiece (4) are placed flush in the recesses of the round shape of the matrix (3). On the flanges (7') and (8'), respectively, of the covers (7) and (8), on their inner side, adjacent to the matrix (3), there are radial recesses (12) made in the form of grooves for installing deformable restrictive elements in them (13), made in the form of pieces of metal corners or tubes, and annular sealing protrusions (14) and (14') are also located, pointed towards the matrix (4), with an outer diameter not exceeding the outer diameter of the flanges (6) and (6') blanks (4), as well as grooves for installing clamps (10) in them. In a particular case of execution, the deformable restrictive elements (13) can be made of low-melting material, with a melting temperature lower than the shell molding temperature. Deformable restrictive elements (13) provide radial clearances (15) and (15') between the flanges (7') and (8') of the covers (7) and (8), respectively, and the flanges (6) and (6') of the workpiece ( 4), through which the inner cavity (5) of the workpiece (4) is evacuated. Around the matrix (3) there is an electric heater (16) with a reflective screen (17) rigidly fixed on the inner wall of the housing (1). Channels (18) are made in the wall of the housing (1) to ensure vacuuming of the container cavity, and a channel (19) to ensure the supply of an inert high-pressure gas medium to the upper clamping cover (7). The cover (2) of the container is made with a central hole in which it is installed hermetically and movably, through a bellows (20), a hydraulic rod (21) with an adjustable force of action on the clamping covers (7) and (8).
Устройство для изготовления обечайки летательного аппарата из трубной заготовки титанового сплава методом пневмо - термо формования в условиях сверхпластической деформации функционирует следующим образом.A device for manufacturing an aircraft shell from a titanium alloy tubular billet by the method of pneumo-thermoforming under conditions of superplastic deformation functions as follows.
Предлагаемое устройство позволяет изготовить обечайку (22) летательного аппарата за одну установку, в одном производственном цикле, при этом весь производственный процесс состоит из следующих последовательных этапов:The proposed device makes it possible to manufacture the shell (22) of the aircraft in one installation, in one production cycle, while the entire production process consists of the following successive stages:
- 1ый этап - подготовка трубной заготовки (4) из титанового сплава с изготовлением ее с фланцами (6) и (6'), и с переменной толщиной стенки механической обработкой;- 1st stage - preparation of a tubular billet (4) from a titanium alloy with its manufacture with flanges (6) and (6'), and with a variable wall thickness by machining;
- 2ой этап - сборка формообразующей матрицы (3), с установкой в ней заготовки (4), и размещение матрицы (3) в корпусе (1) контейнера;- 2nd stage - assembly of the shaping matrix (3), with the installation of the workpiece (4) in it, and placement of the matrix (3) in the body (1) of the container;
- 3ий этап - одновременное вакуумирование полости контейнера, и полости (5) заготовки (4);- 3rd stage - simultaneous evacuation of the cavity of the container, and the cavity (5) of the workpiece (4);
- 4ый этап - герметизация полости (5) заготовки (4) крышками (7) и (8);- 4th stage - sealing the cavity (5) of the blank (4) with covers (7) and (8);
- 5ый этап - нагрев заготовки (4) электронагревателем (16) до требуемого значения температуры;- 5th stage - heating the workpiece (4) with an electric heater (16) to the required temperature value;
- 6ой этап - формование обечайки (22) из трубной заготовки (4);- 6th stage - molding of the shell (22) from the tubular billet (4);
- 7ой этап - отключение электронагревателя (16), снятие давления газовой среды, и усилия с гидроштока (21), разборка контейнера;- 7th stage - turning off the electric heater (16), removing the pressure of the gaseous medium, and removing the force from the hydraulic rod (21), disassembling the container;
- 8ой этап - извлечение матрицы (4) из контейнера, охлаждение матрицы (3) и обечайки (22), и ее освобождение от матрицы (3).- 8th stage - removal of the matrix (4) from the container, cooling of the matrix (3) and shell (22), and its release from the matrix (3).
По первому этапу следует особо отметить то, что изготовление тонкостенной обечайки со сложным профилем ее поверхности, с фланцами и гаргротами, из трубной заготовки титанового сплава является крайне сложной задачей, и ее выполнение возможно только в случае использования трубной заготовки (4) именно из титанового сплава, и с заведомо определенной расчетно-опытным путем, и подготовленной механической обработкой, с образованием необходимого ее наружного профиля и толщины стенки, как в продольном (по оси трубы) направлении, так и в поперечном направлении (по образующей). При этом, в силу своей сверхпластичности, наиболее подходящими для решения такой задача являются именно титановые сплавы, например, сплавы ВТ-23, ВТ-25, ВТ-26.At the first stage, it should be especially noted that the manufacture of a thin-walled shell with a complex profile of its surface, with flanges and fairings, from a titanium alloy tubular billet is an extremely difficult task, and its implementation is possible only if a tubular billet (4) is used specifically from a titanium alloy , and with a known experimental calculation and prepared machining, with the formation of its required outer profile and wall thickness, both in the longitudinal (along the axis of the pipe) direction, and in the transverse direction (along the generatrix). At the same time, due to their superplasticity, titanium alloys, for example, VT-23, VT-25, VT-26 alloys, are the most suitable for solving this problem.
2ой этап. Трубную заготовку (4) из титанового сплава, подготовленную предварительно механической обработкой, покрывают термостойкой смазкой (например, графитовой смазкой, или нитритом бора), и устанавливают в сборно-разборную формообразующую матрицу (3), элементы которой также предварительно покрывают термостойкой смазкой. При этом крышки (7) и (8) так же покрывают термостойкой смазкой, и устанавливают в матрицу (3) с образованием радиальных зазоров (15) и (15') между фланцами (7') и (8') прижимных крышек (7) и (8), и фланцами (6) и (6') заготовки (5) соответственно. При этом зазоры (15) и (15') образуют с помощью установки элементов (13) в радиально расположенные углубления (12) на фланцах (7') и (8') крышек (7) и (8) соответственно. Собранную таким образом матрицу (3) устанавливают в корпус (1), после чего его закрывают крышкой (2) герметично и жестко, при этом гидрошток (21) устанавливают свободно, без силовой нагрузки на верхнюю прижимную крышку (7). 2nd stage. The tubular billet (4) made of a titanium alloy, prepared by pre-machining, is coated with a heat-resistant lubricant (for example, graphite lubricant, or boron nitrite), and installed in a collapsible shaping matrix (3), the elements of which are also pre-coated with a heat-resistant lubricant. In this case, the covers (7) and (8) are also covered with a heat-resistant lubricant, and installed in the matrix (3) with the formation of radial gaps (15) and (15') between the flanges (7') and (8') of the clamping covers (7 ) and (8), and flanges (6) and (6') of the blank (5), respectively. In this case, the gaps (15) and (15') are formed by installing the elements (13) in the radial recesses (12) on the flanges (7') and (8') of the covers (7) and (8), respectively. The matrix (3) assembled in this way is installed in the housing (1), after which it is closed with a cover (2) hermetically and rigidly, while the hydraulic rod (21) is installed freely, without power load, on the upper clamping cover (7).
3ий этап. Закрытый герметично и жестко контейнер вакуумируют с помощью компрессоров (не показаны) через каналы (18). При этом вакуумируют до требуемой степени разряжения одновременно, как полость между матрицей (3) и заготовкой (4), так и полость (5) заготовки (4). 3rd stage. The sealed and rigid container is evacuated using compressors (not shown) through channels (18). At the same time, both the cavity between the matrix (3) and the workpiece (4) and the cavity (5) of the workpiece (4) are simultaneously evacuated to the required degree of rarefaction.
4ый этап. По завершению вакуумирования полости контейнера вместе с полостью (5) заготовки (4), на гидрошток (21) подают начальное усилие (порядка нескольких тонн), в результате чего он плавно воздействует на крышку (7), которая сминает элементы (13), расположенные в углублениях (12) между фланцем (7') крышки (7) и верхним фланцем матрицы (3). При этом крышка (7) фланцем (7') плотно прижимается к верхнему торцу матрицы (3), а конусный выступ крышки (7) плотно прижимается к внутреннему диаметру фланца (6) заготовки (4), при этом уплотнительный выступ (14) кольцеобразной формы плотно прижимается к фланцу (6) заготовки (4), что обеспечивает надежную герметизацию полости (5) заготовки (4) со стороны ее фланца (6). Дальнейшее движение гидроштока (21) с начальным усилием на крышку (7) и матрицу (3) приводит к тому, что матрица (3) своим нижним торцом сминает элементы (13), расположенные в углублениях (12) между нижним фланцем матрицы (3) и фланцем (8') крышки (8). При этом крышка (8) фланцем (8') плотно прижимается к нижнему торцу матрицы (3), конусный выступ крышки (8) плотно прижимается к внутреннему диаметру фланца (6') заготовки (4), уплотнительный выступ (14') плотно прижимается к фланцу (6') заготовки (4), что обеспечивает надежную герметизацию полости (5) заготовки (4) со стороны ее фланца (6'). Таким образом фланцы (6) и (6') заготовки (4) герметично закрыты крышками (7) и (8) соответственно, с обеспечением полной и надежной герметизации внутренней полости (5) заготовки (4), после чего дальнейшее перемещение гидроштока (21) прекращается, но начальное усилие, действующее со стороны гидроштока (21) на матрицу (3) сохраняется до момента подвода высокого давления инертной газовой среды в полости (5) трубной заготовки (4). 4th stage. Upon completion of the evacuation of the container cavity together with the cavity (5) of the workpiece (4), an initial force (of the order of several tons) is applied to the hydraulic rod (21), as a result of which it smoothly acts on the cover (7), which crushes the elements (13) located in the recesses (12) between the flange (7') of the cover (7) and the upper flange of the die (3). In this case, the cover (7) with the flange (7') is tightly pressed against the upper end of the matrix (3), and the conical protrusion of the cover (7) is tightly pressed against the inner diameter of the flange (6) of the workpiece (4), while the sealing protrusion (14) is annular mold is tightly pressed against the flange (6) of the workpiece (4), which ensures reliable sealing of the cavity (5) of the workpiece (4) from the side of its flange (6). Further movement of the hydraulic rod (21) with an initial force on the cover (7) and the matrix (3) leads to the fact that the matrix (3) with its lower end crushes the elements (13) located in the recesses (12) between the lower flange of the matrix (3) and flange (8') of cover (8). In this case, the cover (8) with the flange (8') is tightly pressed against the lower end of the die (3), the conical protrusion of the cover (8) is tightly pressed against the inner diameter of the flange (6') of the workpiece (4), the sealing protrusion (14') is tightly pressed to the flange (6') of the blank (4), which ensures reliable sealing of the cavity (5) of the blank (4) from the side of its flange (6'). Thus, the flanges (6) and (6') of the workpiece (4) are hermetically sealed with covers (7) and (8), respectively, ensuring complete and reliable sealing of the internal cavity (5) of the workpiece (4), after which further movement of the hydraulic rod (21 ) stops, but the initial force acting from the side of the hydraulic rod (21) on the matrix (3) is maintained until the high pressure of the inert gas medium is supplied to the cavity (5) of the tubular billet (4).
5ый этап. По завершению герметизации полости (5) заготовки (4) включают электронагреватель (16), с помощью которого заготовку (4) нагревают до заданных высоких значений температуры (порядка 850-870°С), и эту температуру поддерживают в соответствии с заданной циклограммой работы установки. 5th stage. Upon completion of the sealing of the cavity (5) of the workpiece (4), an electric heater (16) is turned on, with the help of which the workpiece (4) is heated to predetermined high temperatures (of the order of 850-870°C), and this temperature is maintained in accordance with the given cyclogram of the installation operation .
6ой этап. При достижении заданной температуры нагрева заготовки (4) в ее полость (5) подают из ресивера (на рисунках не показан) через канал (19) в корпусе (1), и затем через канал (9) крышки (7) инертную газовую среду (газ аргон) высокого давления. При этом давление подаваемой газовой среды увеличивают постепенно, по определенной циклограмме (например, начиная от Pmin=3 атм., и заканчивая давлением Pmax=25 атм., с шагом 1-1.5 атм.), соответствующей изготовлению конкретного варианта обечайки (22). Под действием высокого давления инертной газовой среды на стенки разогретой заготовки (4) происходит ее термо-пневмо формование в условиях сверхпластичности, при котором заготовка (4) за одну операцию формования приобретает форму требуемой обечайки (22), при этом ее форму определяют только внутренние стенки формообразующей матрицы (3), и давление подаваемой газовой среды. 6th stage. When the predetermined heating temperature of the workpiece (4) is reached, its cavity (5) is supplied from the receiver (not shown in the figures) through the channel (19) in the body (1), and then through the channel (9) of the cover (7) an inert gas medium ( argon gas) high pressure. At the same time, the pressure of the supplied gaseous medium is increased gradually, according to a certain cyclogram (for example, starting from Pmin=3 atm., and ending with a pressure of Pmax=25 atm., with a step of 1-1.5 atm.), corresponding to the manufacture of a specific version of the shell (22). Under the action of a high pressure of an inert gaseous medium on the walls of a heated billet (4), it is thermo-pneumatically molded under superplasticity conditions, in which the billet (4) acquires the shape of the required shell (22) in one molding operation, while its shape is determined only by the inner walls shaping matrix (3), and the pressure of the supplied gaseous medium.
7ой этап. По завершению процесса термо-пневмо формования обечайки (22) из заготовки (4), осуществляют разгрузку контейнера, при этом прекращают подачу в его полость инертной газовой среды, подачу электроэнергии на электронагреватель (16), снимают усилие с гидроштока (21), и открывают крышку (2) контейнера. 7th stage. Upon completion of the process of thermo-pneumatic molding of the shell (22) from the workpiece (4), the container is unloaded, while the supply of an inert gas medium into its cavity is stopped, the supply of electricity to the electric heater (16), the force is removed from the hydraulic rod (21), and the cover (2) of the container.
8ой этап. После разгрузки контейнера из его корпуса (1) вынимают матрицу (4) вместе с полученной обечайкой (22), и охлаждают, после чего обечайку (22) освобождают от матрицы (3). 8th stage. After unloading the container, the matrix (4) is removed from its body (1) together with the obtained shell (22) and cooled, after which the shell (22) is released from the matrix (3).
Предлагаемое техническое решение конструкции устройства позволяет изготавливать заявленным способом из трубной заготовки (4) титанового сплава и с фланцами тонкостенную сложнопрофильную обечайку (22) с гаргротами на ее поверхности. При использовании матрицы (3) и трубной заготовки (4) соответствующего исполнения, так же возможно изготовить тонкостенный, сложнопрофильный корпус топливного бака с фланцами и гаргротами на его поверхности.The proposed technical solution for the design of the device makes it possible to manufacture a thin-walled complex-profile shell (22) with fairings on its surface from a titanium alloy pipe billet (4) and with flanges by the claimed method. When using a matrix (3) and a tubular blank (4) of the appropriate design, it is also possible to manufacture a thin-walled, complex-shaped fuel tank body with flanges and fairings on its surface.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2792249C1 true RU2792249C1 (en) | 2023-03-21 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821415C1 (en) * | 2023-09-25 | 2024-06-24 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Device for making aircraft shells from titanium alloy tubular billet in superplasticity state |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1181749A1 (en) * | 1984-04-25 | 1985-09-30 | Московский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Стали И Сплавов | Method of producing shells |
| US6067831A (en) * | 1997-12-23 | 2000-05-30 | Gkn Sankey | Hydroforming process |
| RU2257974C1 (en) * | 2003-12-24 | 2005-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Thin-wall article shaping method |
| RU122050U1 (en) * | 2012-04-24 | 2012-11-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Тульский Государственный Университет" | DEVICE FOR OBTAINING COMPLEX PROFILE SHELLS FROM PIPE Billets IN THE SUPERPLASTIC STATE |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1181749A1 (en) * | 1984-04-25 | 1985-09-30 | Московский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Стали И Сплавов | Method of producing shells |
| US6067831A (en) * | 1997-12-23 | 2000-05-30 | Gkn Sankey | Hydroforming process |
| RU2257974C1 (en) * | 2003-12-24 | 2005-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Thin-wall article shaping method |
| RU122050U1 (en) * | 2012-04-24 | 2012-11-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Тульский Государственный Университет" | DEVICE FOR OBTAINING COMPLEX PROFILE SHELLS FROM PIPE Billets IN THE SUPERPLASTIC STATE |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821415C1 (en) * | 2023-09-25 | 2024-06-24 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Device for making aircraft shells from titanium alloy tubular billet in superplasticity state |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4988037A (en) | Method and apparatus for superplastic forming and diffusion bonding of hollow parts | |
| US7191032B2 (en) | Methods of and apparatus for forming hollow metal articles | |
| EP1383618B1 (en) | Method of pressure-ram-forming metal containers and the like | |
| US7107804B2 (en) | Methods of and apparatus for pressure-ram-forming metal containers and the like | |
| JPH0739965A (en) | Production of hollow integral metal element | |
| CN1193839C (en) | Superplastic forming process of titanium alloy corrugated pipe | |
| CN108971495B (en) | Hot isostatic pressing forming method for hemispheres of titanium alloy gas cylinders | |
| CN110125229B (en) | Synchronous high-pressure air-bulking forming method for large-size titanium alloy curved bus double-layer conical barrel component | |
| CN113770647A (en) | Vacuum thermoforming method for titanium alloy variable-curve bus spray pipe | |
| RU2792249C1 (en) | Device for manufacturing aircraft shell from titanium alloy pipe blank in superplastic state and method for manufacturing shell in the device | |
| CN111266588A (en) | Hot isostatic pressing shape control method for titanium alloy thin-walled part | |
| CN102107243A (en) | Self-weight thermal forming process for titanium alloy thin-wall cylindrical part | |
| US6253597B1 (en) | Body-necking a wall-ironed can | |
| RU2821415C1 (en) | Device for making aircraft shells from titanium alloy tubular billet in superplasticity state | |
| US5205470A (en) | Method and apparatus for superplastic forming of hollow parts | |
| US6910359B2 (en) | Die apparatus and method for high temperature forming of metal products | |
| CN109127886B (en) | A kind of air pressure-molding combined shaping method of seamed edge fillet R≤2t difficult-to-deformation material rectangular section hollow object | |
| US20040194522A1 (en) | Method of pressure-ram-forming metal containers and the like | |
| US1869478A (en) | Method of forming a propeller | |
| CN109909415A (en) | A kind of high temperature alloy segmentation expanding method | |
| EP0194827B1 (en) | Superplastic forming | |
| CN103433366A (en) | Method for forming deformed section ring piece through rectangular aluminum alloy section ring piece thermal expansion | |
| KR100875021B1 (en) | How to pressure-ram-form metal containers | |
| CN111400939A (en) | High-precision forming method for titanium alloy variable-wall-thickness spherical shell | |
| CN113857346B (en) | Hollow blade thermoforming method and hollow blade inflation device |