Исследование многопереходных процессов формовки-вытяжки деталей летательных аппаратов

В конструкциях современных летательных аппаратов содержатся большое число емкостей, резервуаров, автоклавов, баков, баллонов, которые работают при значительных внутренних и внешних давлениях, в активных химических средах, а также для длительного хранения и перевозки различных веществ.

Значительное место среди деталей представленных конструкций занимают различные по конфигурации и форме днища, изготавливаемые различными методами листовой и объемной штамповки. Наибольшее распространение получили методы листовой штамповки: формовка, вытяжка, а также совмещение этих операций в одном процессе.

Днища имеют различные геометрические размеры и формы. Они изготавливаются из различных материалов: алюминиевых, титановых сплавов, сталей и т. д. В зависимости от используемого материала с его пластическими и механическими свойствами, от высоты получаемой детали, от ее геометрической формы будет зависеть количество переходов при штамповке, объем технологического оснащение, оборудование и т. д. Эти характеристики определяют в конечном итоге трудоемкость и себестоимость изготовления деталей типа днищ.

В настоящее время при изготовлении днищ сохраняется большой объем различных ручных доводочных работ, связанных с необходимостью получения днищ с заданной, геометрической точностью, так как после первого и последующих переходов листовой штамповки появляется эффект упругойотдачи (пружинение) заготовки* после снятиям внешней нагрузки, когда ее форма изменяется по сравнению с формой формообразующей оснастки. Объем доводочных работ не может быть достаточно большим, что влечет за собой повышение трудоемкости всего процесса изготовления днищ летательных аппаратов.

Поэтому задача совершенствования технологии изготовления днищ летательных аппаратов формовкой-вытяжкой является актуальной.

Представленная работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «МАТИ — Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского», где были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования. Специальные экспериментальные исследования проводились на РКЗ ГКНПЦ им. Хруничева.

В теоретическом плане работа связана с совершенствованием методов расчета многопереходной формовки-вытяжки в операциях листовой штамповки при изготовлении деталей летательных аппаратов, основы которых были заложены российскими и зарубежными учеными, в том числе А. Д. Томленовым, Е. А. Поповым, Г. А. Смирновым — Аляевым, М. Н. Горбуновым, В. Ф. Катковым, В. И. Глазковым, В. И. Ершовым и другими.

Целью диссертационной работы является снижения трудоемкости и повышение качества деталей, получаемых в процессах многопереходной формовки-вытяжки.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

— проведен обзор способов изготовление деталей типа днищ и методов расчета технологических параметров;

— проведены теоретические исследования процессов формовки и вытяжки и определены методы решения поставленной задачи;

— разработаны математические модели для расчетов многопереходной формовки-вытяжки в процессах листовой штамповки;

— созданы новые компьютерные модели расчетов параметров получаемых деталей в процессах формовки-вытяжки;

— проведены экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность разработанных теоретических моделей.

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

— теоретический анализ процессов. листовой штамповки с использованием основных положений теории пластичности;

— численные методы интегрирования дифференциальных уравнений и базовые принципы программирования и передачи информации;

— экспериментальные методы исследования и обработки результатов на образцах и натурных заготовках из тонколистового материала.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработаны математические модели и методы расчета многопереходных процессов формовки-вытяжки листовых полуфабрикатов с учетом реальных механических характеристик материала заготовки;

— разработаны математические модели и методы расчета упругой отдачи (пружинения) при многопереходной формовке-вытяжке деталей типа днищ;

— установлено1 количественное влияние технологических факторов (числа переходов, условия прижима заготовки, истории деформирования и др.) на служебные характеристики детали (распределение толщины, механические свойства и др.).

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, корректностью построения математических моделей и 5 удовлетворительным совпадением теоретических расчетов с результатами экспериментальных работ.

Практическое значение работы заключается в следующем:

— разработаны компьютерные модели и программы для оптимизации процессов формовки-вытяжки с учетом влияния реальных условий многопереходной штамповки;

— определены параметры упругой отдачи, необходимые для корректировки штамповой оснастки с целью повышения точности получаемых деталей;

— определены режимы многопереходной формовки-вытяжки обеспечивающие снижение упругой отдачи-в 2 и более раза.

В конечном итоге практическое значение работы состоит в снижении трудоемкости изготовления деталей типа днищ и повышении их качества по геометрическим параметрам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях в следующих организациях:

Год Организация Наименование конференции, семинара.

2009 МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского Международная молодежная научная < конференция «XXXV Гагаринские чтения». Секция № 5.

2009 МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии». Секция № 3.1.

2010 МГТУ им. Н. Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXIV академические чтения. Секция № 192.

2010 МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения». Секция № 5.

2010 МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского Всероссийская научно-техническая конференция «Новыематериалы и технологии». Секция № 3.1.

2011 МГТУ им. Н. Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXV академические чтения. Секция № 19.

2011 МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского Международная* молодежная научная конференция «XXXVII Гагаринские чтения». Секция № 5.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 11 работах, в том числе в.

3-х статьях опубликованных в журнале, рекомендованном ВАК, и 8-и тезисах докладов.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу.

Все основные положения труда, включая теоретические, экспериментальные исследования и программно-расчетные работы выполнены соискателем лично.

Структура диссертации. Работа состоит из трех глав, общих выводов, списка литературы и материалов приложений.

В первой главе дан конструкторско-технологический анализ объекта производства (деталей типах днищ), проанализированы существующие: способы изготовления этих деталей методами формовки и вытяжки и рассмотрены методы расчета напряженно-деформированного состояния.

Анализ" литературных источников свидетельствует, что исследованию формообразующих операций листовой штамповки посвящено большое количество работ российских и зарубежных ученых и специалистов. .

Вопросылистовойштамповки, включая процессы формовки и вытяжки рассмотрены в. работах A.A. Ильюшина-, Н1Н. Малинина, А.Д. ТомленоваМ. ВСторожева, Е. А. Попова, Е. И. Исаченкова, МШ.,.Горбунова, 0-ВПопова-В'.Ш ЕршоваР. Хилла, У. Джонсона, П: МейлораВ. Бекофена, BI Хосфорда, PI Каддела и др.

Наиболее изученными являются-традиционные процессы, формовки й вытяжки, а также • некоторые способы интенсификации этих процессов-. Расчет напряженно- — деформированного состояния в этих процессах осуществляют, как правило, инженерным: методом.. — :

Расчеты предельного формоизменения в процессах, формовки— и вытяжки рассмотрены в. работах А. Д. Томленова, ВЩ. Головлева," А-ДМатвееваЕ.Д.-Деля— В. ФКаткова,.В:ИЕлазкова^ВМ-Ершова—Р.г Хилла, Е. Закса- 3-.Марчиняка идр.

Проведенные исследования показаличто процессы, формовки и вытяжки’деталей типа днищ являются достаточно изученньши и широко используются нашрактике, однако совмещенный процесс формовки-вытяжки: теоретически, мало исследован, а многопереходные методы изготовлениядеталейтакже: не: достаточно изучены. В конечном, итоге, при изготовлении деталей типа* днищ методами многопереходной формовки-вытяжки сохраняетсябольшой объем: ручных доводочных работ, что увеличивает трудоемкость и снижает качество деталей.

Проведеннышанализ способов изготовления деталей типа1 днищ и методов расчета технологических параметров позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Вовторой главе проведены теоретические исследования многопереходных процессов формовки-вытяжки.

Разработаны новые (уточненные) математические модели формовки-вытяжки, учитывающие реальные механические характеристики материала заготовки, условия штамповки и многопереходной обработки.

Проведены расчеты: распределение толщины стенки вдоль образующей по переходам, распределение толщины стенки вдоль образующей по переходам в зависимости от истории деформирования, распределение предела текучести сгт вдоль образующей в зависимости от истории деформирования, распределение толщины стенки вдоль образующей по переходам в зависимости от коэффициента трения, распределение толщины стенки вдоль образующей по переходам в зависимости от подпора кромки.

Разработан метод определения упругой деформации при многопереходной формовки-вытяжки при подвижной и не подвижной периферийной части детали.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Дана методика проведения экспериментаописаны оборудование, приспособления, приборы и инструмент.

Приводятся результаты экспериментального исследования многопереходной формовки-вытяжки листовых заготовок, а также исследование форм получаемых деталей.

Дано сопоставление результатов опытных и теоретических работ.

В материалах приложений приведены программы расчетов при многопереходной формовке-вытяжке и расчеты пружинения, экспериментальные данные и акт внедрения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Обзор литературных источников показал, что методы расчета напряженно-деформированного состояния и упругой отдачи листового материала в процессах формовки и вытяжки нуждаются в совершенствовании в части учета совмещенных процессов^ формовки-вытяжки, включая многопереходность таких процессов, реальных характеристик материала с учетом промежуточных отжигов и других факторов, сопутствующих конкретному процессу формоизменения.

2. В результате проведенных теоретических исследований была разработана новая математическая модель и методика расчета напряженнодеформированного состояния в операциях формовки — вытяжки, которая позволяет учитывать совмещение этих двух процессов, многопереходность обработки и промежуточную термообработку. Также разработанная ¡-модель расчета позволяет оптимизировать процессы формовки-вытяжки.

3. Сопоставления результатов теоретических исследований с данными., экспериментальных работ показали, что теоретическая модель хорошо отражают реальные закономерности пластического формоизменения многопереходных процессов: формовки-вытяжки. Погрешность в расчетах не превышает обычно 10%.

4. Выполнен анализ влияния различных параметров (многопереходность формовкивытяжки, силы трения, истории деформирования и др.) на разнотолщинность изделий, на величинуупрочнения материала, на количество требуемых переходов. Расчеты показали, что указанными факторами можно управлять, получая деталь с заданным комплексом свойств.

5. Разработана, новая методика расчета упругой — отдачи (пружинения) материала после снятия внешней нагрузки. Выявлены* параметры, которые < влияют на велечину упругой отдачи. Также даны рекомендации по борьбе с пружинением: Адекватность методики расчета подтверждена результатами экспериментальных работ. Погрешность в расчетах не превышает как правило 15%.

6.Проведенные исследования позволили сформулировать технические рекомендации, позволяющие снизить пружинение в 1,5−2 раза, что уменьшает трудоемкость изготовления и повышает качество деталей типа днищ. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследования составит 0,67 млн руб. в год.