Повышение предельных возможностей штамповки тонкостенных элементов титанового трубопровода для разделения потока рабочей среды

Актуальность темы

Авиастроение традиционно считается одной из наиболее наукоёмких, высокотехнологичных и системообразующих отраслей отечественной промышленности. Она занимает ведущее место среди оборонных отраслей промышленности по объёму производства и реализации продукции, стоимости основных фондов предприятий, численности высококвалифицированных кадров.

Современный этап развития отрасли связан с реализацией Стратегии развития авиационной промышленности до 2015 г. [1]. Главные цели Стратегии — обеспечение конкурентоспособности продуктов, создаваемых OAK (объединённая авиастроительная корпорация), на выбранных рыночных сегментах, возвращение России в число лидирующих индустриальных держав — остаются неизменными, несмотря на мировой кризис.

Ситуацию, сложившуюся к настоящему времени в российской авиастроительной отрасли, нельзя назвать иначе, как крайне тревожной. Сегодняшние темпы списания авиационной техники таковы, что через несколько лет количество эксплуатируемых пассажирских самолётов сократится на треть, а к 2015 году — более чем на 70%. Остро стоит проблема морального устаревания самолётов: большинство из них не соответствует международным требованиям по шуму, экологичности, точности навигации. Дефицит воздушных судов нового поколения, отвечающих мировым стандартам эффективности и качества авиаперевозок, неуклонно возрастает. Россия должна достичь 10% мирового рынка гражданской авиации, а продукция отечественных заводов занять больше половины внутреннего рынка к 2025 году. Кроме того, необходимо сохранить 12−15% на рынке военного, в том числе военно-транспортного самолётостроения [2].

Поставленные перед отечественным авиастроением цели требуют решения ряда важных задач, в числе которых находится активная разработка и ускоренное внедрение новых технологических процессов на всех этапах создания летательных аппаратов (ЛА). Одними из них являются технологические процессы изготовления элементов трубопроводов. В данной работе рассматриваются процессы штамповки элементов, предназначенных для разделения потока рабочей среды — полых деталей с отводами или тройников, а также оборудование и оснастка для их изготовления. Сочетание большого диаметра с малой массой и минимально необходимой из условия прочности толщиной стенки полых деталей значительно усложняет проблему их бездефектного формообразования из титановых, в том числе труднодеформируе-мых, сплавов.

Для авиационной отрасли характерна частая сменяемость изделий и сжатые сроки подготовки производства что обеспечивает всё более широкое распространение таких технологических процессов обработки металлов давлением, как штамповка из труб эластичными средами.

В настоящее время существуют расчетные методики для определения силовых параметров штамповки эластичной средой тройников, в то же время необходимо знать предельные возможности процесса, т. е. зависимость интенсивности пластической деформации от геометрии полой детали с целью выбора соответствующего материала для последующего бездефектного формообразования.

С другой стороны, необходимо разработать способы формообразования элементов титанового трубопровода, позволяющие повысить предельные возможности формоизменения как за счет выбора оптимальных режимов термообработки, так и рационального приложения деформирующих сил к трубной заготовке. При этом готовые трубчатые детали должны иметь ресурсные характеристики не ниже циклической долговечности титанового трубопровода в целом.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» на кафедре «Техническая механика» в.

2007;2011гг. в соответствии с планом госбюджетной НИР № 01.200.116 985 «Создание инновационных технологических процессов и оборудования для специализированных машиностроительных производств»".

Цель работы. Создание способов, технологических процессов, оборудования и оснастки для повышения предельных возможностей штамповки тонкостенных элементов титанового трубопровода для разделения потока рабочей среды, разработка научно обоснованных рекомендаций для выбора материалов трубных заготовок и режимов термообработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Уточнить модель разрушения металла в процессе штамповки элементов трубопровода типа «тройник».

2. Определить интенсивность пластической деформации при формообразовании тройников.

3. Провести теоретическое обоснование выбора материала для формообразования тройника с заданными геометрическими параметрами.

4. Экспериментально определить предельные возможности формообразования тройников.

5. Проанализировать влияние термообработки на пластичность трубных заготовок и повторно-статическую долговечность элементов трубопровода.

6. Создать способы, повышающие предельные возможности формообразования элементов титанового трубопровода для разделения потока рабочей среды, а также оборудование и оснастку для их реализации.

7. Разработать технологии формообразования тонкостенных тройников с учетом особенностей пластического деформирования титановых сплавов при различных термомеханических режимах.

8. Определить ресурсные характеристики натурных образцов тройников.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе метода верхней оценки. Эксперименты проводились на специализированной установке для формообразования элементов трубопровода с применением жестко-эластичного наполнителя, а также с использованием испытательного оборудования и печей для вакуумного отжига титановых сплавов.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах.

1. Разработана модель, описывающая геометрию тонкостенного косоугольного неравнопроходного тройника как общего случая элемента трубопровода для разделения потока рабочей среды, позволяющая определить кинематику пластического формоизменения тройников, наиболее часто встречающихся в трубопроводных системах изделий машиностроения.

2. Получены расчётные формулы и построены номограммы для определения показателя предельного формоизменения материала трубных заготовок в зависимости от геометрических параметров штампуемых тройников.

3. Показано, что максимальная технологическая пластичность применительно к операциям формообразования для сварных соединений и основного металла достигается при температурах, превышающих рекомендуемые диапазоны полного отжига и приближающихся к температуре начала рекристаллизации титановых сплавов.

4. Разработаны и научно обоснованы способы формообразования тонкостенных элементов трубопровода и устройства для их осуществления, позволяющие повысить предельные возможности формоизменения за счет рационального приложения деформирующих сил к трубной заготовке и расширить номенклатуру штампуемых тройников.

5. Установлено, что максимумы циклической долговечности деформированных тонкостенных титановых конструкций могут быть получены за счет низкотемпературного отжига, по мере повышения температуры нагрева долговечность снижается.

Практическая значимость.

1. Разработан и внедрен технологический процесс формообразования тройников из титановых сплавов ВТ 1−0 и ПТ-7М, применение которых позволяет повысить циклическую долговечность тонкостенных трубопроводов высокого давления.

2. Создана установка, реализующая разработанные способы повышения предельных возможностей штамповки тонкостенных элементов титанового трубопровода для разделения потока рабочей среды.

3. Установлено, что эксплуатационные напряжения, возникающие в стенках изготовленных трубчатых деталей, не нарушают условий прочности, что позволяет использовать их в ответственных узлах трубопроводов ЛА.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при постановке производства новых ЛА в ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество», ОАО «Корпорация „Иркут“ (г.Москва), ОАО"Авиакор-авиационный завод» (г.Самара). Экономический эффект от внедрения 573 тыс. руб. По материалам работы выпущены дополнения к производственной инструкции ПИ 685−76, технологической инструкции ТИ 5293−86.

Апробация работы. Основные положения работы прошли обсуждение на российских отраслевых и международных конференциях: IX Международной научно-технической конференции «АВИА-2009» (Киев, 2009) — международных конференциях «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2009, 2010) — XXX Российской школе, посвященной 65-летию Победы (Екатеринбург, 2010) — I Межотраслевой конференции по проблемам новых технологий (Миасс, 2010) — Международной научно-практической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении» (Воронеж, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 6 патентов. В опубликованных работах личный вклад автора заключается: [76] - в апробации предложенного способа учета упрочнения- [77] - в определении работы пластической деформации в зонах формуемого тройника- [78] - в определении границ переходной зоны неравнопроходного косоугольного тройника- [79] - в построении поля перемещений в основной трубе тройника- [80] - построены номограммы для выбора предельного значения относительного удлинения сплавов, применяемых для штамповки тройников- [81] - получена итоговая формула для оценки предельных возможностей штамповки неравнопроходного прямоугольного тройника- [82] - установлены режимы отжига титановых сплавов на максимальную технологическую пластичность- [84] -исследован фактор разупрочнения титановых сплавов при температурах, превышающих 550° С- [85] - определена повторно-статическая долговечность образцов при испытаниях на изгиб- [87] - предложена геометрия вкладыша при формообразовании косоугольных тройников- [88] - определены факторы, повышающие равномерность пластического формообразования полых деталей с отводами- [89] - предложена расчетно-экспериментальная зависимость для определения объема полостей в эластичном наполнителе- [90] - предложена форма технологической полости при штамповке тройника с двумя отводами- [91] - определены интервалы низкотемпературного отжига сварных конструкций из титанового сплава ВТ 1−0- [92] - экспериментально апробирован способ изготовления листовых изделий из титановых сплавов: [93] -предложена форма пуансона подпора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 93 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 199 страницах и содержит 74 рисунка и 4 таблицы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработанная модель разрушения металла в процессе большой пластической деформации апробирована при анализе предельных возможностей формообразования тройников в разъемных матрицах из трубных заготовок с применением внутреннего давления эластичного наполнителя, являющегося стационарным процессом с установившимся режимом пластического течения. Предлагаемая модель может быть использована в дальнейшем при анализе таких нестационарных процессов формоизменения элементов трубопровода, как штамповка облегченных фланцев, сильфонов, переходников, гибка раздачей патрубков.

2. Выведенная зависимость для определения интенсивности деформации на выходе из пластической зоны в явном виде отражает влияние геометрических параметров тройника (толщины стенки, коэффициента разнопро-ходности, радиуса переходной зоны) на предельные возможности процесса. Полученные теоретические значения относительного удлинения при разрыве применяемых титановых сплавов должны быть увеличены на 1*17% для выхода параметров технологических процессов формообразования тройников из зоны разрушения.

3. Для повышения технологической пластичности применяемых титановых сплавов необходимо проводить отжиг трубных заготовок и полуфабрикатов тройников при температурах, превышающих рекомендуемые диапазоны полного отжига и близких к температурам начала рекристаллизации (для сплавов ВТ1−0,ПТ7-М-600° С, 670° С соответственно).

Превышение рекомендованных температур отжига, соответствующих максимальной технологической пластичности титановых сплавов, приводит к резкому падению показателей условного предела текучести о 0,2 и временного сопротивления разрыву, а в, что может отрицательно отразиться впоследствии на эксплуатационных характеристиках отштампованных деталей.

4. Повышению предельных возможностей при формообразовании титановых тройников методом торцевой осадки трубной заготовки с одновременным приложением внутреннего давления наполнителя способствуют следующие разработанные способы и приемы по созданию благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния: а) ограничение окружных деформаций при штамповке отвода тройника на втором переходе за счет специальной формы пуансона подпораб) корректировка формы технологических скосов на торцах трубной заготовки перед вторым переходом вытяжки отводав) направленное перемещение материала трубной заготовки непосредственно в зону отвода при одновременной компенсации давления эластичного наполнителяг) организация подпора формуемого отвода с симметричным течением металла относительно плоскости, проходящей через оси трубной заготовки и отвода.

5. Отформованные титановые тройники с использованием предложенных способов обладают минимальной разнотолщинностью. Максимальные утолщения и утонения стенки тройника составили соответственно 14% и 18%.

6. Разработанные способы формообразования полых деталей с отводами позволяют расширить технологические возможности штамповки за счет получения нескольких отводов на особотонкостенной трубной заготовке, в том числе и в плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы.

7. Спроектированная и изготовленная установка для формообразования элементов трубной арматуры в полной мере реализует разработанные способы по повышению предельных возможностей штамповки титановых тройников из трубных заготовок.

8. Узлы титанового трубопровода с тройниками из сплавов ВТ1 -0 и ПТ-7М, отштампованных с использованием разработанных технологических рекомендаций, имеют циклическую долговечность, превышающую в 1,5 -2 раза ресурс планера ЛА в 30 000 летных часов.

9. Оптимальными температурами отжига, при которых обеспечивается наибольшая повторно-статическая выносливость тройников из титановых сплавов являются: для сплава ВТ1−0 — 350° Сдля сплава ПТ-7М — 450−550° С.

Данные температуры могут быть рекомендованы для термообработки тройников после установки их в трассу трубопровода.

10. Выбранные соотношения между геометрическими параметрами титановых тройников являются оптимальными не только с точки зрения повышения предельных возможностей их формообразования, но и увеличения их эксплуатационной надежности, так как возникающие максимальные эксплуатационные напряжения не нарушают условий прочности при растяжении и сдвиге.

11. Разработанные способы, технологии, оборудование и оснастка внедрены в производство при постановке изделий авиационной техники в ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество», ОАО «Корпорация «Иркут» и ОАО «Авиакор — авиационный завод» (Самара). По материалам работы выпущены дополнения к производственной инструкции ПИ 685−76, технологической инструкции ТИ 5293−86.