Изотермическое формообразование элементов конструкций цилиндрического, прямоугольного и трапециевидного сечения из анизотропного материала

В настоящее время перед машиностроением стоит необходимость повышения эффективности производства и качества получаемых изделий.

Создание новой техники, отдельные узлы которой работают в условиях агрессивных сред, высоких давлений и температур, связано с использованием труднодеформируемых, малопластичных материалов. Значительное количество деталей машиностроения изготавливается из листовых материалов, которые обрабатываются в режимах холодной и горячей штамповки.

В последнее время при изготовлении деталей аэрокосмической техники из листовых малопластичных, труднодеформируемых сплавов нашло применение медленное горячее деформирование с предварительной или одновременной диффузионной сваркой. Медленное горячее формоизменение дает возможность значительно снизить удельные усилия штамповки и достичь больших степеней деформации.

При медленном изотермическом деформировании высокопрочных материалов в зависимости от уровня напряжений, возникающих в заготовке, и температуры обработки величины пластической деформации и деформации ползучести становятся соизмеримыми, и это обстоятельство необходимо учитывать при расчетах технологических параметров процессов.

Технологические принципы медленного горячего формоизменения листовых заготовок и диффузионной сварки могут быть применены в производстве элементов многослойных листовых конструкций летательных аппаратов цилиндрического, прямоугольного и трапециевидного сечений из анизотропного материала.

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при пластическом деформировании, реализуемом на традиционном прессовом оборудовании, а также при медленном деформировании, осуществляемом в режиме кратковременной ползучести.

Широкое внедрение в промышленность процессов медленного горячего формоизменения многослойных листовых конструкций летательных аппаратов с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами сдерживается недостаточно развитой теорией медленного деформирования при повышенных температурах с учетом реальных свойств материала, позволяющей оценить напряженное и деформированное состояние заготовки, кинематику течения материала, предельные возможности формоизменения, силовые режимы и энергозатраты процесса. -" ^'.Л.

Работа выполнена в соответствии с проектом РФФИ № 00−01−565 «Вопросы теории формоизменения мембран из анизотропного материала в условиях ползуче-пластического течения», грантами «Теория пластического формоизменения при повышенных температурах современных конструкционных материалов для получения многослойных листовых конструкций ЛА» и «Научные основы новых технологий изготовления элементов конструкций летательных аппаратов с высокими эксплуатационными характеристиками» в области технологических проблем производства авиакосмической техники, а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.

Цель работы. Научное обоснование расчета технологических параметров процессов изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести с целью снижения металлоемкости, трудоемкости изготовления, сокращения сроков подготовки производства и повышения их эксплуатационных характеристик на основе прогрессивных технологических решений и условий их реализации.

Автор защищает результаты теоретических исследований напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения, связанных с накоплением микроповреждений и локальной потерей устойчивости заготовки из анизотропного листового материала, при медленном изотермическом формоизменении многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучестиустановленные зависимости влияния геометрических размеров заготовок и изделия, анизотропии механических свойств листового материала и законов (условий) нагружения во времени на напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности деформирования исследуемых процессов изотермического формоизменениярезультаты экспериментальных исследований процессов изотермической пневмоформовки многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучестиразработанные рекомендации по проектированию технологических процессов медленного изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами. Научная новизна:

• разработаны математические модели медленного изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести;

• установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей деформирования в исследованных процессах изотермического формоизменения в зависимости от геометрических размеров заготовок и издЬлия, анизотропии механических свойств материала и законов (условий) нагружения во времени при медленном горячем деформировании.

Методы исследования;

Теоретические исследования процессов изотермического деформирования выполнены на основе теории кратковременной ползучести анизотропного материала. Предельные возможности формоизменения установлены на базе использования феноменологических критериев разрушения (энергетического и деформационного), связанных с накоплением микроповреждений, анизотропного материала и условия локальной потери устойчивости Друкера для реономных сред при медленном горячем деформировании. Анализ процессов реализован численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ IBM PC. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура. Обработка опытных данных проводилась методами математической статистики.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных 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 использованием результатов работы в промышленности.

Практическая ценность и реализация работы. ¦ На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и созданы пакеты прикладных программ для ЭВМ IBM PC по расчету технологических параметров процессов изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из аниi зотропного материала в режиме кратковременной ползучести.

Результаты исследований использованы при разработке новых технологических процессов изготовления панелей с круглыми и прямоугольными каналами, гофровых панелей из анизотропного листового материала в режиме кратковременной ползучести на ФГУП «НПО Техномаш».

Разработанные технологические процессы внедрены в опытное производство со значительным экономическим эффектом за счет сокращения сроков технологической подготовки производства, обеспечения качества, снижения трудоемкости изготовления и металлоемкости узлов изделий.

Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных научных конференциях «XXIV — XXVI Гагаринские чтения» (г. Москва, 1998;2000 г. г.), на международной научно-технической конференции «Итоги развития механики в Туле «(г. Тула, 1998 г.), на II международной научно-технической конференции «Проблемы пластичности в технологии» (г. Орел, 1998 г.), на первой международной научно-технической конференции «Металлофизика и деформирование перспективных материалов» (г. Самара, 1999), на международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения С. И. Мосина (г. Тула, 1999 г.), на международной научно-технической конференции «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа» (г. Москва, 1999 г.), на международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства» (г. Тула, 1999 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (1997 -2000 г. г.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 13 печатных работах.

Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., ведущему научному сотруднику Я. А. Соболеву и д.т.н., профессору С. П. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 133 наименований, 4 приложений и включает Щ страницу машинописного текста, содержит 50 рисунков и Ц таблиц. Общий объем -200 страниц.

5.5. Основные результаты и выводы.

1. Выполнены экспериментальные исследования применительно к изготовлению панелей с круглыми и прямоугольными длинными каналами, трапециевидных элементов (гофровых панелей) трехслойных листовых конструкций, удовлетворяющих техническим условиям эксплуатации (необходимые уровень прочности, коррозионной стойкости и герметичности в заданных условиях) из специальные листовые титановые материалы типа ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ20 и ВТ23, алюминиевые сплавы типа АМгб, АД1 1971, 1911 и 1201, применяемые в авиационно-космической технике.

2. Исследования выполнены с целью отработки технологических схем i изготовления (на одной рабочей позиции — формообразования и сварки давлением), возможностей их реализации, установления температурноскоростным режимов деформирования, определения давления газа, предельных степеней деформации и оценки качества изделий, а также проверки соответствия результатов теоретических расчетов экспериментальным данным.

3. Установлены режимы деформирования для алюминиевых сплавов АМгб, 1911 на каждой операции технологического процесса: диффузионная сварка жестким инструментом (температура- 475 °C, давление — 10 МПа, время деформирования — 20 мин) — формовка купола до его контакта с обшивкой (давление до 0,5 МПа, время — 5.7 мин), калибровка угловых зон ячеек (давление — до 1 .1,5 МПа, время — 10 мин), диффузионная сварка стенок ячеек с каркасом и обшивкой (температура — 530 °C, давлении газа — 5 МПа, время -20.30 мин). При температуре до 550 °C давление газа может быть ограничено до 3 МПа, Прочность соединений сплавов типа 1911 близка к прочности основного металла, что подтверждается результатами механических испытаний. ' ' .

4. Расхождение экспериментальных и теоретических данных по геометрическим размерам изготавливаемых многослойных листовых конструкций не превышает 10%.

5. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, проведенных с привлечением теории кратковременной ползучести анизотропного материала, разработаны технологические рекомендации по выбору режимов операций изотермического формоизменения малопластичных высокопрочных заготовок с учетом температурно-скоростных, деформационных, силовых условий и требуемого уровня качества.

6. Технологические процессы основаны на выполнении последовательности действий над исходными заготовками на одной рабочей позиции: нагрев, вакуумирование — диффузионное соединение заготовок — формообразованиетермофиксация — охлаждение.

Технологические процессы обеспечивают качество изготовления многослойных листовых панелей по требуемой геометрической форме, мини.

154 мальным припускам под механическую обработку, прочностным механическим характеристикам, локальной сплошности и герметичности.

7. Предложенные технологические процессы могут быть использованы на предприятиях космической, авиационной и оборонной техники, судостроения, приборостроения, транспорта, строительства, энергетики, а также предприятиях, изготавливающие товары народного потребления.

8. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в разработке научно-обоснованных режимом технологических процессов изотермического формоизменения элементов листовых конструкций ответственного назначения с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести, которые обеспечивают снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления, сокращение сроков подготовки производства и повышение их эксплуатационных характеристик.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Получены основные" уравнения и соотношения для анализа напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения процессов изотермической пневмо-формовки многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести.

2. На основе разработанных математических моделей формоизменения выполнены теоретические исследования процессов изотермического свободного деформирования узкой прямоугольной мембраны,. формообразования угловых элементов многослойных конструкций, штамповки и калибровки трапециевидных элементов трехслойных листовых конструкций из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести.

Рассмотрены возможные варианты изотермического формоизменения при известных законах изменения давления от времени, а также случаи деформирования при постоянной скорости деформации и постоянном давлении.. 1.

Теоретические исследования процессов изотермического деформирования выполнены для групп материалов, поведение которых описывается уравнениями энергетической или кинетической теорий кратковременной ползучести и повреждаемости.

3. Установлено влияние анизотропии механических свойств исходного материала, закона нагружения, геометрических размеров заготовки и изделия на напряженное и деформированное состояния, кинематику течения материала, силовые режимы и предельные возможности исследуемых процессов изотермического формоизменения в режиме кратковременной ползучести, связанные с накоплением микроповреждений и локальной потерей устойчивости заготовки.

4. Показано, что при изотермическом свободном формоизменении узкой прямоугольной мембраны при постоянной величине эквивалентной скорости деформации в начальный момент деформирования наблюдается резкий рост относительного давления р, высоты II и половины угла раствора дуги а, а также уменьшения относительной толщины заготовки к. Интенсивность роста или падения исследуемых параметров зависит от величины эквивалентной скорости деформации. Уменьшение эквивалентной скорости деформации приводит к более плавному их увеличению или уменьшению, а также к. смещению. величины максимального давления р в сторону большего времени /.

5. Установлен характер изменения геометрических размеров заготовки в процессе изотермического деформирования в зависимости от параметров нагружения ар, пр и величины постоянной эквивалентной скорости деформации.

Показано, что изменение относительной толщины в куполе заготовки кс происходит более интенсивно по сравнению с изменением относительной толщины в местах защемления при свободном деформировании узкой прямоугольной мембраны. С ростом времени деформирования I эта разница увеличивается и может достигать 50%.

6. Оценено влияние параметров закона нагружения, а р, пр и величины постоянной эквивалентной скорости деформации на предельные возможности формоизменения, связанные с разрушением заготовки при достижении уровня накопленных микроповреждений сое =1 (или соА =1) и с локальной потерей устойчивости заготовки.

Установлено, что при медленном горячем деформировании многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами сначала имеет место локализация деформации с последующим разрушением от накопления микроповреждений.

Показано, например, что время разрушения (критическое время), половина угла раствора дуги в момент разрушения ос* и высота изделия //* уменьшаются, а угол конуса полости трапециевидного элемента ос* и толщина А* возрастает с ростом параметров ар и пр, а также величины постоянной эквивалентной скорости деформации при формоизменении материалов, поведение которых описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости.

Предельные возможности формоизменения при изотермическом деформировании анизотропных материалов, поведение которых описывается кинетической теорией ползучести и повреждаемости, не зависят от параметров закона нагружения (ар и пр) или величины постоянной эквивалентной скорости деформации. ¦

7. Установлено влияние анизотропии механических свойств на предельные возможности формоизменения. Показано, что время разрушения и и толщина заготовки /?* при свободном деформировании узкой прямоугольной мембраны возрастают, а величина половины угла раствора дуги в момент разрушения а* уменьшается с ростом коэффициента нормальной анизотропии R. Выявлено, что неточность определения критического времени разрушения в предположении изотропии механических свойств исходной заготовки может достигать более 20% по сравнению с их реальными величинами.

8. Оценена погрешность результатов расчетов предельного времени разрушения U и геометрических размеров заготовки в момент разрушения, вычисленные в предположении протекания процесса формоизменения в условиях вязкого и вязкопластического течения материала. Установлено, что в отдельных случаях не учет реальных особенностей формоизменения (вязкое или вязкопластическое течение материала) может привести к погрешности определения времени разрушения и геометрических размеров заготовки в момент разрушения до 50%.

9. Выполнены экспериментальные исследования применительно к изготовлению панелей с круглыми и прямоугольными длинными каналами, трапециевидных элементов (гофровых панелей) трехслойных листовых конструкций, удовлетворяющих техническим условиям эксплуатации (необходимые уровень прочности, коррозионной стойкости и герметичности в заданных условиях) из специальных листовых титановых и алюминиевых сплавов, применяемые в авиационно-космической технике.

Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по геометрическим размерам заготовки (толщины h и высоты H заготовки на этапах деформирования) указывает на удовлетворительное их согласование (до 10%).

10. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, проведенных с привлечением теории кратковременной ползучести анизотропного материала, разработаны технологические рекомендации по выбору режимов операций изотермического формоизменения элементов i листовых конструкций ответственного назначения с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из малопластичных высоко.

159 прочных заготовок с учетом температурно-скоростных, деформационных, силовых условий и требуемого уровня качества.

Технологические процессы основаны на выполнении последовательности действий над исходными заготовками на одной рабочей позиции: нагрев, вакуумирование — диффузионное соединение заготовок — формообразованиетермофиксация — охлаждение.

11. Разработанные технологические процессы внедрены в опытном производстве со значительным экономическим эффектом за счет сокращения сроков технологической подготовки производства, обеспечения качества, снижения трудоемкости изготовления и металлоемкости узлов изделий.

Новые технологические процессы обеспечивают: увеличение удельной прочности (раз) — 1,5. 2- уменьшение массы (раз) — 1,2- снижение трудоемкости (раз) — 2.3- увеличение КИМ, (с/до) — 0,3 / 0,95. ^.

12. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе.