Разработка и внедрение прогрессивных технологий изготовления волочением-прокаткой профилей и гофров повышенной жесткости из листовых авиационных материалов

Несмотря на сегодняшнее состояние экономики России, роль и значение науки и научно-технического прогресса не могут быть принижены. В условиях перехода страны к рыночной экономике роль металлообработки и машиностроения, являющихся фундаментом ее материально-технической базы, ещё более усиливается. Интенсивный путь их развития не мыслим без нового этапа ускорения научно-технического прогресса, что является гарантом роста производительности труда и масштабов производства. В условиях конкуренции производителей важнейшими критериями принимаемых конструктивных и технологических решений станет оптимизация.

Одним из направлений технического прогресса в современном машиностроении является создание методов и средств производства, обеспечивающих безотходную технологию, то есть получение заготовок, максимально приближающихся по формам, размерам и чистоте поверхности к готовым деталям. Одно из ведущих мест в создании прогрессивных заготовок принадлежит обработке металлов давлением.

Самолетои ракетостроение, как специфические отрасли машиностроения, всегда были и остаются отраслями самой передовой техники и технологии, где используются новые материалы, наиболее совершенное оборудование и прогрессивные технологические процессы, что без использования методов обработки металлов давлением обеспечить практически невозможно.

Стремление улучшить летно-технические характеристики летальных аппаратов (JIA) связано с большим количеством исследований и испытаний по снижению их массы и повышению ресурса. Важным направлением таких работ является применение в конструкциях JIA новых материалов повышенных удельной прочности и жесткости и деталей из листовых заготовок, ресурс которых, например, в 2−3 раза превышает ресурс деталей из прессованных профилей.

Выход изделий отечественной авиационной промышленности, в частности широкофюзеляжных самолетов, на мировой рынок бесперспективен без значительного повышения их ресурса. Во многом решению этой задачи будет способствовать применение в продольном наборе панелей агрегатов планера вместо прессованных профилей гнутых из листа, которые характеризуются более стабильными механическими и более высокими коррозионными свойствами, что также будет содействовать созданию технологичных изделий минимальной массы при заданных прочности и жесткости.

В связи с тем, что авиационные материалы повышенных прочности и жесткости, как правило, имеют пониженную технологическую пластичность, получение тонкостенных профилей и гофров из них прессованием, является на сегодняшнем уровне развития технологии трудноразрешимой задачей, изготовление их из листа становится в большинстве случаев единственно возможным методом.

В промышленности освоены профили, гнутые из титановых и других низкопластичных листовых материалов, имеющие в зоне сгиба внутренние радиусы в пределах трех-пяти толщин исходной заготовки. Они заметно уступают по жесткостным характеристикам прессованным из-за невыгодной геометрии зоны сгиба. Чтобы характеристики профилей, гнутых из листа, приблизить к прессованным и горячекатаным, необходимо их изготовлять с минимальными радиусами и утолщением материала по зонам сгиба. При обычном пластическом изгибе листовых материалов сделать этого не удается, возникает опасность разрыва растянутых волокон по наружному контуру и утонение материалов в зоне наибольших деформаций.

Возможные способы устранения указанных недостатков в процессе горячей деформации приводят к повышению трудоемкости, увеличению цикла изготовления и металлоемкости технологического оснащения. При этом коэффициент использования металла не превышает обычно 0,6−0,7, качество и точность размеров невысокие.

Целью данной работы является разработка научных основ процессов формообразования тонкостенных профилей и гофра из листовых заготовок в условиях сжато-напряженного состояния материала при волочении-прокатке, снижение массы конструкции планера летательного аппарата с повышением надежности.

Изготовление тонкостенных профилей и гофра с малыми радиусами по зонам сгиба стесненным изгибом (СИ) в роликовых фильерах при волочении и сочетании волочения с прокаткой, как это следует из принципиальных основ метода, позволит увеличить допустимые степени деформаций и снизить число переходов, позволит изготовлять в холодном состоянии из низкопластичных материалов профили сложной формы сечения, может уменьшить опасность скручивания заготовки в процессе деформирования, обеспечит высокое качество поверхности, благодаря отсутствию сдвиговых деформаций по высоте формовки, и точность размеров по сечению без дополнительной калибровки.

Проведение исследований в этом направлении и широкое внедрение полученных результатов в промышленность позволит снизить массу листовых конструкций, подкрепленных тонкостенными профилями и гофром, трудоемкость и металлоемкость процессов профилирования, повысить несущую способность панельных конструкций JIA с одновременным повышением их качества и надежности, что говорит об актуальности проблемы.

Исходя из поставленной цели определены задачи исследований, основными из которых являются: разработка, исследование и выбор оптимальных схем формообразования профилей из листовых заготовок различных материалов при волочении и сочетании волочения с прокаткойисследование напряженно-деформированного состояния материала при различных схемах формообразования и установление аналитических зависимостей силовых и геометрических параметров зоны сгиба профиля от марки материалаисследование математических зависимостей процесса волочения-прокатки при деформировании листовых материалов в роликовой фильере при создании аксиального сжатияисследование режимов термомеханической обработки и их влияния на качество гнутых профилейустановление оптимальных параметров гнутых профилей и панелей при минимизации массы и высоком качестве (несущей способности) — установление предельных возможностей процесса деформирования заготовок с обеспечением кондиционности изготовленных профилейразработка на базе проведенных исследований технологического процесса изготовления тонкостенных профилей и гофров из различных листовых материалов и оборудования для реализации в промышленности с использованием волочения-прокатки в условиях стесненного изгиба.

Проведенные исследования и разработки позволили создать принципиально новые технологические процессы и оборудование, основы научной теории деформирования листовых материалов в условиях стесненного изгиба при процессах волочения-прокатки, внедрить в конструкции летальных аппаратов перспективные авиационные материалы.

На защиту выносятся:

1. Совокупность теоретических положений и экспериментальной отработки, позволивших решить крупную научно-техническую проблему повышения надежности, ресурса и снижения массы панельных конструкций летательных аппаратов за счет разработки и внедрения новых технических решений и научно обоснованных технологий формообразования и оптимизации параметров тонколистовых профилей и конструкций панелей.

2. Классификатор процессов стесненного изгиба при волочении и сочетании волочения с прокаткой, позволяющий выбрать физическую модель процесса и схему формообразования листовой заготовки в профиль и гофр, установить напряженно-деформированное состояние материала в зоне сгиба;

3. Научные основы процесса волочения-прокатки как результат теоретического и экспериментального исследования по обеспечению оптимальных соотношений параметров гнутолисто-вых профилей, изготовленных с их применением панельных конструкцийпроцесса профилирования и параметров профилегибочного оборудования.

4. Новые способы формообразования тонкостенных гнутых профилей и гофров при холодной и горячей деформациях перспективных авиационных труднодеформируемых материалов стесненным изгибом при волочении и сочетании волочения с прокаткой;

5. Новые технологические процессы изготовления тонкостенных профилей волочением-прокаткой из перспективных труднодеформируемых материалов с использованием термомеханических методов обработки;

6. Принципиально новые варианты мобильного волочильно-прокатного оборудования, позволяющего изготовлять тонкостенные профили из плоской заготовки при непрерывном профилировании с созданием тангенциального, нормального и аксиального сжатия в очаге деформации и одновременно правки профиля растяжением с возможностью его гибки по радиусу;

13.Результаты работы внедрены на КнААПО, НПО «Молния», ОАО «Ульяновский НИАТ» и др., с экономическим эффектом в прежнем исчислении более 1,0 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Анализ конструкций основных агрегатов планера летательных аппаратов выявил наличие значительной номенклатуры тонкостенных профилей, гофров и тонколистовых деталей, выполненных гибкой. Из-за утонения металла и больших относительных радиусов по зонам сгиба их жесткостные характеристики не позволяют полностью использовать механические свойства металла. Для повышения жесткости деталей, гнутых из листа, необходимо вести гибку на малые относительные радиусы, обеспечивая сечение зоны сгиба эквивалентно прессованному профилю.

Решить данную задачу позволяет метод стесненного изгиба, когда гибку ведут в условиях сжато-напряженного состояния металла в очаге деформаций с обеспечением локального утолщения деталей по зонам сгиба.

В работе рассматриваются пути изготовления тонкостенных профилей и гофров при гибке-волочении, исследуются математические зависимости параметров процесса формообразования листовых заготовок из традиционных и перспективных металлов в профиль. Проводится экспериментальная отработка технологических процессов изготовления профилей и гофров. Разработаны технологии их промышленного изготовления и оборудование для реализации рекомендованных методов, приводятся результаты использования проведенных исследований в промышленности.