Разработка и исследование высокоэффективных процессов деформирования обжимом тонкостенных трубных заготовок

Детали из труб применяются во всех системах трубопроводов, которые в свою очередь широко используются во многих отраслях народного хозяйства: в нефтяной, газовой, автомобильной, в судостроении, машиностроении, медицине, самолетостроении, ракетостроении и т. д.

Объясняется это тем, что круглое сечение трубы является весьма рациональным как по площади проходного сечения, так и по его жесткости. Периметр круглой трубы имеет максимальную площадь проходного сечения, поэтому данное параметрическое преимущество перед другими геометрическими конфигурациями сечений является приоритетным при проектировании или строительстве трубопроводов различных систем и назначений. Кроме того, круглое сечение трубы имеет большой момент инерции, характеризующий его жесткость, и поэтому трубы часто применяются в конструкциях различных машин и сооружений в качестве основных и вспомогательных силовых элементов. Трубопроводные системы относятся к конструкциям ответственного назначения, от надежности которых зависит безотказность и ресурс изделия [1]. Детали из тонкостенных труб наибольшее распространение нашли во всех гидрогазовых системах летательных аппаратов без исключения. Надежность этих систем в значительной степени определяет надежность самолета в целом. Трубопроводы работают в условиях сложного нагружения. Они испытывают действия высоких давлений, пульсирующей нагрузки и гидравлических ударов, поэтому к ним предъявляются высокие требования по механическим свойствам материала, качеству внешней и внутренней поверхностей, сохранению формы сечения, а также максимальному утонению стенок трубы с целью снижения веса изделия.

Практика эксплуатации показывает, что наибольшее число разрушений трубопроводов связано с утонением из стенок в местах изгиба и перехода от одного диаметра к другому. Значительно снижает работоспособность трубопроводов такие факторы, как чрезмерная эллипсность и волнистость стенок — явления, сопровождающие процессы изготовления трубопроводов [2]. Отклонение от округлости сечения (овальность) должно лежать в пределах от 3 до 10% в зависимости от длины детали и ее функционального назначения. Наличие гофров на трубах гидравлических систем недопустимо.

Допустимое утонение стенки в зоне гиба принимается не более 15−20% от исходной толщины стенки трубы. Для ответственных патрубков чистота поверхности должна быть не менее Яа=2,5.1,6мкм.

Поверхность обжатой части не должна иметь забоин. Допускаются следы обжатия на трубе в виде волнистостей: продольной не более 0,05 мм и поперечной глубиной не более 0,08 мм. Волнистость разрешается только с плавным переходом: поперечная с шагом 5 мм, продольная с шагом 10 мм.

Одним из важнейших направлений в развитии современного самолетостроения является исследование новых перспективных способов обработки металлов давлением, позволяющих повысить производительность труда, увеличить эффективность использования ресурсов, снизить материалоемкость.

Среди всего разнообразия деталей самолета значительное место занимают детали элементов систем трубопроводов (патрубки, законцовки, фланцы, переходники, муфты) — которые получаются в процессе формообразования трубчатых заготовок. По трудоемкости работ трубопроводы занимают около 10% изготовления деталей планера самолета. В объеме заготовительно-штамповочных работ производство патрубков составляет 10−15% от общей трудоемкости.

Наибольший интерес в последние годы вызывает исследование возможностей пластического деформирования более стойких и прочных материалов, например, титановых сплавов, которые обладают более высокими характеристиками удельной прочности по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями, высокой коррозионной стойкостью и достаточным сопротивлением усталости и отличаются возможностью эффективного использования в условиях повышенных температур.

Однако титановые сплавы являются пластически труднодеформируемыми из-за сравнительно малых величин удлинения при разрыве. Традиционные способы изготовления деталей из титановых сплавов являются неэффективными, что требует применения различных методов интенсификации этих процессов. Наилучшие технологические возможности достигаются при использовании термической интенсификации, но ее применение для изготовления деталей из титановых сплавов сопровождается газонасыщением поверхностных слоев, что снижает технико-экономические показатели готовых деталей.

В связи с этим важное значение имеет разработка и использование перспективных технологических процессов создающих благоприятное напряженно-деформированное состояние штампуемого материала, повышающих степень его формоизменения, и, в конечном итоге, снижающих трудоемкость изготовления деталей. Одним из способов интенсификации при обработке металлов давлением, исключающих нагрев заготовки и обеспечивающих пластификацию материалов является силовая интенсификация. Силовая интенсификация заключается в дополнительном нагружении заготовки сжимающими или растягивающими силами, действующими обычно в плоскости или в осевом направлении заготовки. С использованием дополнительного нагружения можно разгрузить опасное сечение заготовки или изменить пластичность материала за счет изменения схемы напряженного состояния.

Значительный вклад в разработку теории процессов формообразования деталей из трубчатых заготовок и методов их интенсификации внесли в своих работах Горбунов М. Н., Ершов В. И., Попов Е. А., Сторожев М. В., Богоявлинский К. Н., Сапожников В. М., Марьин Б. Н., Попов О. В., Исаченков Е. И., Пашкевич А. Г., Каширин М. Ф., Чумадин А. С. и другие авторы. Результаты этих работ позволили создать достаточно эффективные технологические процессы изготовления трубчатых деталей, в том числе деталей гидрогазовых систем летательных аппаратов. Анализ существующих способов изготовления деталей из трубчатых заготовок показывает, что основной технической проблемой при изготовлении деталей трубопроводов является не только повышение степени формоизменения заготовки за один переход, но и обеспечение необходимых высоких и стабильных механических свойств изделия, высокого качества внутренней и внешней поверхностей, минимального изменения толщины стенки и искажения формы сечения трубы.

Таким образом, настоящая работа, направлена на всестороннее изучение процессов пластического деформирования трубчатых заготовок при использовании силовой интенсификации, а также на разработку новых схем деформирования и штамповой оснастки, обеспечивающих повышение предельных возможностей процессов, снижение трудоемкости изготовления деталей, улучшение их качества и эксплуатационных характеристик, является актуальной.

Целью работы является разработка, исследование и промышленное внедрение высокоэффективных процессов деформирования обжимом тонкостенных трубных заготовок с применением силовой интенсификации, позволяющих существенно повысить предельные возможности формоизменения, снизить трудоемкость изготовления деталей, повысить их качество и эксплуатационные характеристики. Научная новизна работы заключаются в следующем:

— предложена методика расчета технологических параметров процесса обжима тонкостенных трубных заготовок, разработанная на основе численного метода.

В.И. Одинокова, учитывающая параметры силовой интенсификации, деформационного и скоростного упрочнения материала, силы трения и температуры деформированияполучены новые эмпирические зависимости, описывающие изменение напряженно-деформируемого состояния тонкостенных трубных заготовок в процессе обжима при воздействии всестороннего сжатия;

— разработаны и исследованы высокоэффективные схемы деформирования тонкостенных трубных заготовок при обжиме в штампе с комбинированным внутренним подпором, а также с использованием в качестве противодавления внутри заготовки пластичного металла;

— получены аналитические и экспериментальные данные для расчета необходимых силовых параметров при проектировании технологических процессов и формообразующей оснастки.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— на основе результатов численного моделирования и экспериментальных исследований выработаны рекомендации по использованию силовой интенсификации при деформировании обжимом тонкостенных трубных заготовок, обеспечивающей повышение предельных возможностей формоизменения;

— разработаны прикладные программы для расчета на ЭВМ технологических параметров процесса обжима тонкостенных трубных заготовок с учетом фактора силовой интенсификации;

— разработанная технология изготовления элементов гидрогазовых систем JIA позволяет снизить их себестоимость за счет уменьшения количества переходов формообразующих операций и соответственно количества используемой оснастки;

— разработаны и отработаны оригинальные конструкции штампов для получения трубчатых деталей типа «законцовка».

Реализация результатов работы. Способы и устройства деформирования тонкостенных трубчатых заготовок обжимом, разработанные автором, защищены патентом Российской Федерации, и нашли практическое применение на Комсомольском-на-Амуре АЛО имени Ю. А. Гагарина.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на межрегиональной конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2001 г.) и изложены в научных статьях и докладах, приведенных в списке публикаций.

Публикации. Основные результаты исследований в 10 работах, в т. ч. 6 статьях и докладах, 4 авторских свидетельствах и патентах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, содержит 140 страниц основного текста, 66 рисунков, 18 таблиц. Содержание работы.

1. Анализ известных способов интенсификации процессов обжима трубных заготовок показал, что наиболее перспективным направлением является использование внутреннего подпора, позволяющего задавать необходимую величину давления на деформируемую заготовку.2. На основе численного метода В. И. Одинокова разработана математическая модель процесса обжима по жесткой матрице с использованием наружного и внутреннего подпоров, позволяющая рассчитать напряженно-деформированное состояние, усилие деформирования и подпора с учетом деформационного и скоростного упрочнения материала, силы трения и температуры деформирования.3. На основе разработанной теоретической модели получены рекомендации для проектирования высокоэффективных технологических процессов, штамповой оснастки и выбора оптимальных технологических параметров обжима в жесткой матрице тонкостенных трубных заготовок с использованием внутреннего подпора.4. Разработаны новые схемы деформирования, позволяющие расширить технологические возможности процесса обжима тонкостенных трубных заготовок, повысить качество деталей, снизить трудоемкость их изготовления.5. Проведенный комплекс экспериментальных исследований показал, что использование разработанных схем деформирования позволяет увеличить степень формоизменения на 10… 15% при уменьшении величины разнотолщинности получаемых деталей в 2−3 раза по сравнению с традиционными методами обжима. При этом улучшается качество поверхности деталей, их микроструктура и повышаются эксплуатационные характеристики.6. Наиболее оптимальным вариантом при обжиме тонкостенных трубных заготовок является схема, при которой деформируемая часть трубной заготовки находится в состоянии всестороннего сжатия, причем, чем выше усилия радиального противодавления, оказываемые на заготовку изнутри, тем меньше разнотолщинность у обжатой заготовки.7. Результаты работы внедрены на ОАО «КнААПО им. Ю.А.Гагарина» в виде материалов технологической инструкции «Формообразование деталей из тонкостенных трубных заготовок обжимом». Ожидаемый экономический эффект от внедрения в 2005 г. составляет 400 тысяч рублей. Намечены перспективные направления дальнейших исследований.