Совершенствование методов расчета предельного формоизменения тонкостенных заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов

Летательный аппарат состоит из десятков тысяч различных металлических деталей (первичных элементов конструкции), большую часть которых получают методами листовой штамповкой.

Широкое применение листовой штамповки в авиастроении объясняется целым рядом ее достоинств. К основным из них относятся:

1) возможность получения достаточно прочных и жестких, но легких по массе конструкции деталей при небольшом расходе материала;

2) взаимозаменяемость получаемых холодной листовой штамповкой деталей вследствие их большой точности и однообразия;

3) большая производительность и низкая стоимость штампуемых деталей;

4) возможность применения малоквалифицированной рабочей силы (кроме установщиков);

5) сравнительно небольшие потери материала при правильном построении технологических процессов и раскрое материала;

6) благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов штамповки и создания автоматических линий и участков.

Удельный вес деталей, получаемых листовой штамповкой, составляет в самолетостроении 75−80%. При этом трудоемкость заготовительно-штамповочного производства как правило не велика и составляет, например, в самолетостроении 10−12%, остальное приходится на изготовление деталей другими методами, сборку, монтаж и испытания узлов, отсеков, агрегатов и изделия в целом.

Однако в зависимости от объекта и серийности производства объем технологической подготовки производства может быть достаточно большим. Так для серийного производства среднего самолета необходимо разработать десятки тысяч технологических процессов изготовления деталей, спроектировать и изготовить 2,5−3,0 тысячи инструментальных штампов, 2,0−2,5 тысячи свинцово-цинковых штампов, 3,5−4,0 тысячи формблоков, несколько сот обтяжных пуансонов и другой технологической оснастки. Установлено, что от 20 до 30% листового металла теряется уже только при разработке технологического процесса.

На выбор методов и средств листовой штамповки большое влияние оказывают свойства материала, вид заготовки-полуфабриката, форма получаемой детали и программы выпуска изделий. Несмотря на многочисленные исследования процессов листовой штамповки и вековой опыт промышленного применения, разработать оптимальный вариант технологического процесса применительно к изготовлению конкретной детали представляет и в наше время достаточно сложную задачу. Это приводит к большим объемам теоретических, экспериментальных и доводочных работ на стадии технологической подготовки производства.

Большая трудоемкость работ на этом этапе производства деталей летательных аппаратов связана в значительной мере с тем, что при листовой штамповке возможности пластического деформирования исходной заготовки (листа, трубы, профиля) всегда ограничены, поэтому и в теоретическом, и в практическом плане важное значение приобретают методы расчета (прогнозирования) предельных деформаций, превышение которых ведет к появлению того или иного дефекта в деформируемой заготовке (трещин, гофров, складок, поверхностей с «апельсиновой» коркой, локального утонения, неравномерного утонения заготовки т.п.).

Наиболее значимым дефектом в процессах пластического деформирования является разрушение заготовки. Это в конечном итоге ограничивает возможности получения из традиционных полуфабрикатов большой номенклатуры деталей или усложняет технологию их изготовления, делая ее многопереходной или многооперационной.

Зная (прогнозируя) предельные деформации заготовки в конкретной операции на этапе проектирования технологического процесса изготовления детали можно заранее отказаться от базового варианта технологического процесса, если он не позволяет достигать требуемого формоизменения за определенное число переходов и операций и разработать иной вариант технологии. С другой стороны, зная, что предельные деформации заготовки зависят от большого числа факторов: марки материала заготовки, ее геометрической и механической неоднородности, схемы напряженно-деформированного состояния материала, последовательности (истории) деформирования, температурно-скоростных условий штамповки, условий контактного трения и т. п. — всегда можно предложить то или иное техническое решение, которое обеспечит выход из затруднительного положения, если коренное изменение разработанного технологического процесса по каким-либо причинам уже невозможно.

Поэтому задача совершенствования методов расчета (прогнозирования) предельных деформаций тонкостенных полуфабрикатов при изготовлении деталей летательных аппаратов является актуальной.

Уточненный расчет предельной деформации заготовки в конкретной технологической операции, возможность управления предельными деформациями заготовки с использованием интенсифицирующих факторов (нагрев, сверхпластическое деформирование и др.) напрямую связаны с повышением технологичности конструкции изделия (детали), что имеет важное конструкторско-технологическое значение в целом.

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 предельных деформаций в операциях листовой штамповки при изготовлении деталей летательных аппаратов, основы которых были заложены российскими и зарубежными учеными, в том числе А. Д. Томленовым, В. Д. Головлевым, А. Д. Матвеевым, Г. Д. Делем, В. Ф. Катковым, В. И. Глазковым, В. И. Ершовым, Р. Хиллом, Г. Заксом, 3. Марчиняком и другими.

Целью диссертационной работы является разработка рациональных методов расчета предельных деформаций в процессах листовой штамповки деталей летательных аппаратов для повышения качества разработки технологического процесса и, в конечном итоге, для повышения качества получаемой детали.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— проведены теоретические исследования процессов листовой штамповки и определены методы решения поставленной задачи;

— разработаны усовершенствованные математические модели предельных деформаций в процессах листовой штамповки, основанные на энергетических и кинематических критериях с учетом реальных механических характеристик материала (с учетом непостоянства показателя деформационного упрочнения материала);

— созданы новые компьютерные модели расчетов параметров получаемых деталей при предельном деформировании листовых заготовок в процессе формовки;

— проведены экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность разработанных теоретических моделей предельного деформирования.

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 усовершенствованные математические модели предельного деформирования листовых полуфабрикатов по критериям возникновения «рассеянной» и локализованной «шеек» с учетом реальных механических характеристик материала заготовкиразработана усовершенствованная математическая модель предельного деформирования листовых полуфабрикатов по критерию возникновения трещины.

— разработаны усовершенствованные математические модели расчетов параметров получаемых деталей при формовке листовых заготовок на момент их предельной высоты.

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

Практическое значение работы заключается в следующем:

— разработаны компьютерные модели для автоматизированного расчета предельного деформирования в операциях листовой штамповки с учетом влияния реальных механических свойств листовой заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве;

— получены аналитические выражения для уточненного расчета предельных деформаций листовых заготовок в процессе формовки с учетом влияния основных факторов процесса формовкиоценено влияние непостоянства показателя деформационного упрочнения материала на предельные деформации тонкостенных заготовок;

В конечном итоге практическое значение работы состоит в более точном прогнозировании предельного формоизменения заготовки в конкретном процессе листовой штамповки, что повышает технологичность конструкции детали.

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

Год Организация Наименование конференции, семинара.

2006 МГТУ им. Н. Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXX академические чтения. Секция № 19.

2006 МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии». Секция № 3.1.

2006 МАТИ — Российский государственный технологический университет 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 — Российский государственный технологический университет 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 — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «ХХХ1У Гагаринские чтения». Секция № 5.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 10 работах, в том числе в 3 научных статьях и 7 тезисах докладов.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу.

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

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех основных глав, общих выводов, списка литературы и материалов приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 61 наименования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В результате проведенных исследований установлено следующее.

В производстве деталей летательных аппаратов методами листовой штамповки важное значение имеют методы расчета предельного деформирования заготовки. От возможностей формоизменения заготовки в конкретной операции зависит в целом проектирование технологического процесса, определяются необходимые переходы и операции, технологическая оснастка, инструмент и оборудование. Расчеты предельных деформаций с использованием известных критериев еще далеки от совершенства, часто дают несогласующиеся и, как правило, завышенные с практикой результаты.

В работе проведено исследование, направленное на совершенствование методов расчета предельных деформаций путем уточнения расчетных моделей и параметров, характеризующих механические свойства материала исходной заготовки и форму получаемой детали. Разработанные с использованием нового подхода уточненные расчетные модели (энергетические, кинематические и по моменту возникновения трещины) позволили до двух раз уменьшить разброс прогнозируемых значений предельных деформаций.

Разработанная модель предельного формоизменения на примере операции формовки дала возможность дополнительно учесть ряд технологических факторов (разнотолщинность, трение и др.), влияющих на предельную высоту получаемой детали.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретические расчеты. Погрешность в расчетах деформаций обычно не более 10%, в расчетах напряжений — до 20%.

В конечном итоге разработанные усовершенствованные методы расчета предельных деформаций существенно повысили точность прогноза предельной степени формоизменения заготовки в конкретной операции, что дает возможность повысить качество проектирования технологических процессов и, соответственно, качество получаемых деталей.