Изотермическое выдавливание оребрений и утолщений на корпусных деталях в режиме кратковременной ползучести

Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающими максимально возможные эксплуатационные характеристики.

В авиационно-космических летательных аппаратах применяют ореб-ренные конструкции: крылья, корпуса отсеков, перегородки и др. Оребрения повышают жесткость изделий, что во многом решает задачи их прочности. Технология производства таких узлов связана с механическим резанием, что приводит к большему расходу материалов и высокой трудоемкости производства. Более эффективную технологию можно организовать на базе обработки давлением путем горячего выдавливания оребрений на плитах. Высокопрочные титановые, алюминиевые и алюминиево-литиевые сплавы для этих панелей требуют при таком варианте технологии нагрева в оснастке, т. е. изотермического режима штамповки. В процессе деформирования существенна зависимость давления, степени формоизменения, качества изделий от скорости операции. Обрабатываемый материал проявляет вязкие свойства. При этом пластические деформации и связанное с ними упрочнение могут вообще отсутствовать, а деформирование осуществляется в условиях ползучести материала под нагрузкой.

Топливные корпуса ракетно-космических аппаратов изготавливают с внутренними ребрами вафельного типа. Корпуса собирают из панелей, которые соединяют аргоно-дуговой сваркой. Эффективна технология изготовления панелей путем сварки давлением ребер с основным полотном панели взамен традиционной технологии механического и электрохимического фрезерования. Операция сварки проводится с нагревом в вакууме или в среде нейтрального газа в зависимости от материала заготовки.

Корпуса из высокопрочных металлических сплавов применяют в ряде изделий оборонной техники. Один из типов конструкций имеет внутреннее утолщение, а также утолщенную концевую часть на одном или обоих краевых диаметрах для соединения с другими элементами изделия. Рациональной технологией формообразования такого утолщения является выдавливание с местным нагревом на гидропрессовом оборудовании. Силовые и деформационные параметры процесса, а также качество изделий зависят от температур-но-скоростных условий обработки. Это связано с проявлением ползучих свойств горячего деформируемого материала.

При разработке технологических процессов операций изотермического выдавливания оребрений на плитах и соединения давлением оребренных панелей, выдавливания внутренних и краевых утолщений на корпусах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести используются эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются реальные механические свойства исходных заготовок, особенности протекания технологических процессов деформирования. Во многих случаях это приводит к необходимости экспериментальной отработки перечисленных выше процессов обработки металлов давлением, что удлиняет сроки подготовки производства изделия. Теоретическое обоснование режимов операций изотермического выдавливания оребрений на плитах и соединения давлением оребренных панелей, выдавливания внутренних и краевых утолщений на корпусах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с грантами Президента Российской Федерации на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований, государственными контрактами в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы Министерства образования и науки Российской.

Федерации, грантами РФФИ, научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы», государственным контрактам Министерства образования и науки Российской Федерации.

Цель работы. Повышение эффективности операций изотермического выдавливания оребрений и внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов путем теоретического обоснования технологических режимов деформирования при кратковременной ползучести.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Разработать математические модели операций изотермического выдавливания оребрений и выдавливания внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.

2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования операций изотермического выдавливания оребрений на плитах, внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.

3. Установить влияние технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на деформированное состояние, силовые режимы, предельные возможности деформирования исследуемых операций.

4. Разработать пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету напряженного и деформированного состояний и технологических параметров рассматриваемых операций изотермического формообразования.

5. Использовать результаты исследований в промышленности и учебном процессе.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных условиях. Теоретические исследования операций изотермического выдавливания оребрений на плитах, внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением ореб-ренных панелей выполнены на основе теории кратковременной ползучести. Расчет силовых режимов исследуемых операций осуществлен исходя из экстремальной верхнеграничной теоремы с учетом деформационного и скоростного упрочнения. Предельные возможности формоизменения оценивались по феноменологическим критериям разрушения (энергетическому или деформационному), связанным с накоплением микроповреждений. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры, гидравлических прессов моделей П2234, П238, ПЗ11 со встроенной системой плавного управления скоростью перемещения ползуна и регистрирующей аппаратурой, изотермического блокаобработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.

Автор защищает:

— математические модели операций изотермического выдавливания оребрений и внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований деформированного состояния, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения операций изотермического выдавливания оребрений и внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов;

— закономерности влияния технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на деформированное состояние, силовые режимы, предельные возможности формообразования исследуемых операций;

— разработанные пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету исследуемых процессов изотермического формоизменения, которые использованы при изготовлении оребренных панелей и полых изделий с утощениями на заготовках из алюминиевого АМгб и титанового ВТ6С сплавов, обеспечивающих заданное качество, уменьшение трудоемкости и металлоемкости их получения, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Научная новизна: установлены закономерности изменения деформированного состояния, силовых режимов, предельных возможностей формообразования от технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на основе разработанных математических моделей операций изотермического выдавливания оребрений и внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, а также практическим использованием результатов работы в промышленности.

Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету рациональных технологических параметров операций изотермического выдавливания оребрений на плитах, внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести, обеспечивающих, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, заданное качество их изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Реализация работы. Разработанные рекомендации по расчету технологических параметров изотермического выдавливания оребрений на плитах, внутренних и краевых утолщений на корпусах и соединения давлением ореб-ренных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести были востребованы при проектировании технологических процессов, инструмента и оснастки для изготовления оребренных элементов конструкций ответственного назначения, а также корпусных конструкций с внутренними утолщениями из алюминиевого АМгб и титановых ВТ6С и ВТ 14 сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками методами изотермического выдавливания в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ». Применение медленного горячего деформирования при выдавливания корпусных панелей с ребрами вафельного и стрингерного типов, а также внутренних утолщений в полых корпусных деталях из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести позволяет расширить возможности управления процессами за счет изменения скоростных условий деформирования.

Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления 150 400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150 200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150 201 «Машины и технология обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Основы теории пластичности и ползучести», «Новые технологические процессы и оборудование», «Штамповка анизотропных материалов», «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» Тульского государственного университета.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международных научно-технических конференциях «Автоматизацияпроблемы, идеи, решения» (АПИР-15, г. Тула: ТулГУ, 2010 г.) — на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (г. Тула: ТулГУ, 2010 г.) — на Международных молодежных научных конференциях «XXXVI, XXXVIII Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2010, 2012 г. г.), а также ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010; 2012 г. г.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 7 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК- 10 статьях межвузовских сборниках научных трудов, 3 тезисах докладов международной научно-технической конференции общим объемом 5,25 печ. л.- из них авторских — 2,5 печ. л.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С. С. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 101 наименования, 3 приложений и включает 101 страницу машинописного текста, содержит 28 рисунков и 5 таблиц. Общий объем — 122 страницы.

4.5. Основные результаты и выводы.

1. Выполнены экспериментальные исследования операций изотермического выдавливания оребрений на плитах и соединения давлением оребрен-ных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по силовым режимам операций изотермического выдавливания оребрений на плитах и соединения давлением оребренных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести указывает на удовлетворительное их согласование (до 10%).

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ОАО «ТНИТИ» в опытном производстве при совершенствовании существующих и создании новых технологических процессов изготовления оребренных элементов конструкций ответственного назначения, обеспечивающих их жесткость при продольно-поперечном изгибе и устойчивость корпуса изделия в целом при воздействии нагрузок, а также корпусных конструкций с внутренними утолщениями из высокопрочных материалов. Результаты этих работ использованы при проектировании технологических процессов, инструмента и оснастки для изготовления оребренных элементов конструкций ответственного назначения, а также корпусных конструкций с внутренними утолщениями из алюминиевого АМгб и титановых ВТ6С и ВТ 14 сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками методами изотермического выдавливания. Технологические процессы изотермического выдавливания корпусных панелей с ребрами вафельного и стрингерного типов, а также внутренних утолщений в полых корпусных деталях из алюминиевого АМгб и титановых ВТ6С и ВТ 14 сплавов приняты к внедрению в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ». Существовавшие технологические процессы предусматривали изготовление оребренных элементов конструкций и корпусных конструкций с внутренними утолщениями из высокопрочных материалов резанием из поковок.

Предлагаемые технологические процессы обеспечивают уменьшение трудоемкости изготовления оребренных элементов конструкций и корпусных конструкций с внутренними утолщениями в 2 раза, повышение удельной прочности изделия в 1,2. 1,5 раз при снижении общей массыповышение коэффициента использования металла с 0,5 до 0,9, сокращение сроков подготовки производства новых изделий в 2 раза.

3. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления 150 400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150 200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150 201 «Машины и технология обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Основы теории пластичности и ползучести», «Новые технологические процессы и оборудование», «Штамповка анизотропных материалов», «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» Тульского государственного университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное хозяйственное значение для различных отраслей машиностроения и состоящая в повышении эффективности изготовления оребренных панелей и осесимметричных изделий с внутренними и краевыми утолщениями в режиме кратковременной ползучести методами изотермического выдавливания заготовок из высокопрочных материалов путем разработки теоретически обоснованных режимов технологических процессов, обеспечивающих заданное качество, уменьшение трудоемкости и металлоемкости изготовленных деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработаны математические модели операций изотермического выдавливания оребрений на плитах и соединения давлением оребренных панелей, выдавливания внутренних и краевых утолщений на корпусах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Расчет силовых режимов операций изотермического выдавливания осуществлен исходя из экстремальной верхнеграничной теоремы. В операциях изотермического выдавливания заготовок из высокопрочных материалов учитывается деформационное и скоростное упрочнение.

2. Выполнены теоретические исследования операций изотермического выдавливания оребрений на плитах, внутренних и краевых утолщений на корпусах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Разработаны алгоритм расчета силовых, деформационных параметров и предельных возможностей формоизменения, а также программное обеспечение для ЭВМ.

Установлены количественные зависимости влияния технологических параметров, условий трения на контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки, скорости перемещения инструмента на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и допустимую величину накопленных микроповреждений при изотермическом выдавливании оребрений на плитах и соединении давлением оребренных панелей, выдавливании внутренних и краевых утолщений на корпусах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Операции изотермического деформирования заготовок рассмотрены для групп материалов, для которых справедливы уравнения энергетической и кинетической теорий кратковременной ползучести и повреждаемости.

3. Установлено, что при горячем выдавливании ребер на плитах с уменьшением скорости перемещения инструмента V от 0,015 до 0,001 мм/с относительное давление выдавливания падает в 2 раза для алюминиевого сплава АМгб и в 3,8 раза для титанового сплава ВТ6С. Снижение коэффициента трения р от 0,4 до 0,1 приводит к уменьшению относительного давления деформирования сплавов АМгб и ВТ6С на 10. 15%. Показано, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,001 до 0,015 мм/с повреждаемость сплава АМгб возрастает в 5.7 раз. Установлено, что при увеличении с от 0,1 до 0,4 повреждаемость сплаваВТ6С возрастает в 5.6 раз.

4. Установлено, что в процессе соединения давлением оребренных панелей при увеличении рабочего хода А/г от 1 до 5 мм относительное давление деформирования сплавов АМгб и ВТ6С возрастает в 1,4.2 раза, минимальное время сварки панелей уменьшается, а время релаксации возрастает.

5. Показано, что при горячем выдавливании внутренних концевых утолщений на корпусах с уменьшением скорости перемещения инструмента V от 10 до 0,01 мм/с относительное давление выдавливания падает на 35% для титанового сплава ВТ6С и на 15.20% для алюминиевого сплава АМгб при температурах обработки 450 и 530 °C. Установлено, что снижение коэффициента трения от 0,2 до 0,05 приводит к уменьшению относительного давления деформирования сплавов АМгб и ВТ6С на 45. .50%.

Выявлено, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость сплава АМгб возрастает на 20 и 25% при 450 и 530 °C соответственно. Установлено, что с увеличением хода инструмента от 2 до 10 мм повреждаемость титанового сплава ВТ6С возрастает в 5 раз, алюминиевого сплава АМгб при 450 и 530 °C — в 5,5. .6 раз.

6. Установлено, что при наборе краевых утолщений на корпусных заготовках в режиме кратковременной ползучести с уменьшением скорости перемещения инструмента V от 10 до 0,01 мм/с относительное давление набора краевых утолщений падает на 35% для титанового сплава ВТ6С и на 10. 15% для алюминиевого сплава АМгб при температурах обработки 450 и.

530 °C. Выявлено, что значение у = 20° дает лучшую верхнюю оценку удельной силы для выбранной конструкции разрывного поля скоростей. Показано, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость сплава АМгб возрастает на 10. .20%.

7. Выполнены экспериментальные исследования операций изотермического выдавливания оребрений на плитах и соединения давлением оребрен-ных панелей из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по силовым режимам исследуемых операций указывает на удовлетворительное их согласование (расхождение не превышает 10%).

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ОАО «ТНИТИ» в опытном производстве при совершенствовании существующих и создании новых технологических процессов изготовления оребренных элементов конструкций ответственного назначения, обеспечивающих их жесткость при продольно-поперечном изгибе и устойчивость корпуса изделия в целом при воздействии нагрузок, а также корпусных конструкций с внутренними утолщениями из высокопрочных материалов.

Предлагаемые технологические схемы обеспечивают уменьшение трудоемкости изготовления оребренных элементов конструкций и корпусных конструкций с внутренними утолщениями в 2 раза, повышение удельной прочности изделия в 1,2. 1,5 раз при снижении общей массы, повышение коэффициента использования металла с 0,5 до 0,9- сокращение сроков подготовки производства новых изделий в 2 раза.

Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».