Исследование процесса раскатки труб в производстве деталей летательных аппаратов

Летательные аппараты (самолеты, вертолеты, ракеты и др.) состоит из нескольких тысяч различных металлических деталей, большую часть которых (до 70%) получают методами листовой штамповки [1].

Широкое применение листовой штамповки в авиаи ракетостроении объясняется целым рядом ее преимуществ:

— малая трудоемкость изготовления;

— большая производительность и малая себестоимость деталей;

— сравнительно небольшие потери материала заготовки, высокий коэффициент использования материала;

— благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов;

— высокое качество получаемых деталей (высокие точностные параметры, малая шероховатость поверхностей и др.).

В зависимости от функционального назначения детали, применяемого материала, габаритов и программы выпуска используются различные методы ее изготовления. Это процессы раздачи и обжима труб, вытяжка, формовка и гибка листового материала и др. Для осесимметричных деталей типа обтекатель, переходник, сильфон, компенсатор и других деталей гидрогазовых систем летательных аппаратов в последнее время все чаще применяются методы локального деформирования, в том числе методы ротационного формообразования, которые в сравнении с традиционными методами листовой штамповки обладают рядом достоинств: снижением деформирующего усилия, простотой технологической оснастки, большими возможностями формоизменения и другими преимуществами [2−4].

Однако не все процессы ротационного деформирования в настоящее время являются достаточно изученными. Это в полной мере относится к перспективному процессу изготовления осесимметричных деталей летательных аппаратов раскаткой труб [5−6]. Поэтому исследования в этом направлении (в части расчета технологических параметров, оптимальных режимов деформирования) являются актуальными.

Представленная работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» «МАТИ» — Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского, где проведены все теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретическом плане работа связана с совершенствованием методов расчета напряженно-деформированного состояния в операциях пластического деформирования при изготовлении деталей летательных аппаратов, основы которых были заложены российскими и зарубежными учеными, в том числе М. В. Сторожевым, Е. А. Поповым, М. Н. Горбуновым, А. Д. Томленовым, В. И. Ершовым, Е. А. Унксовым, А. И. Целиковым, B.C. Смирновым, А. Г. Овчинниковым, В. Г. Кононенко, Н. И. Могильным, Л. Г. Юдиным, С. П. Яковлевым, С. Колпакчиогли, Ш. Кобаяси, Э. Томсеном и другими.

В практическом плане работа связана с разработкой рациональных методов обработки в процессах изготовления деталей летательных аппаратов методом раскатки трубных заготовок.

Целью диссертационной работы является сокращение сроков технологической подготовки производства и трудоемкости изготовления деталей летательных аппаратов типа «переходник», получаемых раскаткой труб.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

— проведены технологические и теоретические исследования процессов раздачи труб и ротационного деформирования и определены методы решения поставленной задачи;

— разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния и режимов обработки при раскатке труб с учетом многопереходности обработки;

— разработана математическая модель процесса раскатки труб, основанная на инженерном методе расчета и энергетическом методе баланса работ;

— проведены экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность разработанных теоретических моделей;

— предложены эффективные пути совершенствования процесса раскатки труб при изготовлении деталей типа «переходник».

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

— теоретический анализ процессов деформирования с использованием основных положений теории пластичности;

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

— экспериментальные методы исследования и обработки результатов на образцах и натурных заготовках из трубных заготовок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— усовершенствован метод расчета напряженно-деформированного состояния при раскатке трубных полуфабрикатов с учетом внеконтакных деформаций, сил контактного трения и изменения механических характеристик материала заготовки в результате многопереходной обработки;

— разработана новая математическая модель расчета технологических параметров при раскатке труб;

— предложены эффективные пути совершенствования процесса раскатки при изготовлении деталей летательных аппаратов типа «переходник».

Практическое значение работы заключается в следующем:

— разработаны компьютерные программы для автоматизированного расчета режимов процесса изготовления детали раскаткой труб с учетом упрочнения материала заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве;

— получены аналитические выражения для расчета режимов обработки с учетом влияния основных факторов процесса раскатки;

— разработан новый способ раскатки труб с помощью давильного кольца.

В конечном итоге практическое значение работы состоит в том, что проведенные исследования позволяют сократить сроки технологической подготовки производства и трудоемкость изготовления деталей летательных аппаратов типа «переходник», получаемых раскаткой труб.

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

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

Год Организация Наименование конференции, семинара.

2006 МАТИ им. К. Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «XXXII Гагаринские чтения». Секция № 5.

2007 МГТУ им. Н. Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXI академические чтения. Секция № 19.

2007 МАТИ им. К. Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «XXXIII Гагаринские чтения». Секция № 5.

2008 МГТУ им. Н. Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXII академические чтения. Секция № 19.

2008 МАТИ им. К. Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «ХХХГУ Гагаринские чтения». Секция № 5.

2008 МАТИ им. К. Э. Циолковского Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии». Секция № 3.1.

2009 МГТУ им. Н. Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXIII академические чтения. Секция № 19.

2009 МАТИ им. К. Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «ХХХУ Гагаринские чтения». Секция № 5.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 9 работах, в том числе в научной статье, которая опубликована в журнале, рекомендованном ВАК, и 8 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 введения, трех основных глав, общих выводов, списка литературы и материалов приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В результате проведенных исследований процесса раскатки труб при изготовлении деталей летательных аппаратов типа переходник установлено следующее.

1. Детали типа переходник получают в основном с использованием операций раздачи труб на жестком пуансоне. Эти процессы хорошо изучены и нашли широкое применение в производстве деталей летательных аппаратов. Однако возможности формоизменения заготовки в процессе раздачи существенно ограничены. Это приводит к необходимости нагрева заготовок, что удорожает и усложняет производство деталей.

2. Использование процесса раскатки труб при изготовлении переходников дает возможность значительно повысить степень формоизменения заготовки в холодном состоянии, однако сам процесс раскатки недостаточно исследован в части оптимальных режимов обработки.

3. Проведенные теоретические исследования показали, что процесс раскатки труб близок к процессу продольной прокатки, однако имеются отличия в наличии замкнутого контура заготовки и многопереходности обработки. В результате был усовершенствован метод расчета напряженно-деформированного состояния при раскатке трубных полуфабрикатов с учетом внеконтактных деформаций, сил трения и изменения механических характеристик материала заготовки в результате многопереходной обработки.

4. Экспериментально определены величины внеконтактных деформаций и силы контактного трения. Определены оптимальные режимы обработки, заключающиеся в создании большей доли сжимающих усилий.

5. Разработаны компьютерные программы для автоматизированного расчета режимов процесса изготовления переходников раскаткой труб с учетом упрочнения материала заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве. Получены приближенные аналитические выражения для расчета режимов обработки с учетом влияния основных факторов процесса раскатки, которые подтверждаются экспериментально.

6. Разработан новый способ раскатки, обеспечивающий повышение геометрической точности получаемых деталей. В целом раскатка повышает производительность формоизменения по сравнению с раздачей в 1,5−2,0 раза.