Разработка процессов и определение параметров штамповки осесимметричных элементов особотонкостенного трубопровода

Актуальность темы

В настоящее время в нашей стране находится в эксплуатации около 2,5 тыс. единиц авиатехники. Из них 800 имеют весьма преклонный для самолетов возраст — свыше 25 лет. Для повышения конкурентоспособности российских авиаперевозчиков необходимо стимулировать развитие гражданской авиации, которое невозможно без создания новых и модернизации существующих летательных аппаратов (ЛА). Усложнение конструкции, увеличение полетной массы, грузоподъемности, связанные с этим рост рабочих давлений в магистралях и увеличение их протяженности приводят к ужесточеншо требований, предъявляемых к надёжности, технологичности и ресурсу трубопроводных систем.

Один из возможных путей решения актуальной проблемы по повышению ресурса трубопроводных систем при одновременном снижении массы — использование в конструкции JIA трубопроводных систем, собранных из типовых унифицированных высокоресурсных особотонкостенных трубопроводных элементов, изготавливаемых из титановых, алюминиевых деформируемых сплавов и коррозионно-стойких сталей. К особотонкостенным относят элементы со следующими параметрами: 30 < Dit < 130, где D — диаметр трубы, t — толщина стенки.

Требования, предъявляемые к ресурсу и надежности элементов трубопроводных систем JIA, могут быть сформулированы исходя из условия их соответствия техническому ресурсу основных конструкций планера, что составляет 30 000 часов или примерно 170 000 циклов нагружений до величины рабочих напряжений, возникающих в конструкциях в ходе эксплуатации изделия.

В данной работе рассматриваются вопросы получения высокоресурсных осесимметричных элементов трубопроводных систем, а именно: сильфонов, облегченных фланцев и переходников из особотонкостенных трубных заготовок.

Необходимость сведения к минимуму брака при изготовлении упомянутых выше элементов в сочетании с требованием минимальной, из условия прочности, толщины стенки значительно усложняет задачу при разработке технологических процессов и оборудования для штамповки.

Для авиационной отрасли характерна частая сменяемость изделий и сжатые сроки подготовки производства, что дополнительно усложняет задачу выбора технологических процессов. Наиболее полно этим условиям отвечают способы обработки металлов давлением с применением эластичных сред.

Основными силовыми параметрами процесса формообразования осесимметричных элементов трубопроводов раздачей внутренним давлением эластичного наполнителя с одновременной осевой осадкой являются: давление, создаваемое наполнителем внутри заготовки, и усилие осевого сжатия. Для бездефектного формообразования необходимо четко определить значения этих параметров на каждой стадии.

В настоящее время существуют расчетные методики для их определения, однако они не позволяют достичь высокой точности при расчетах или же требуют громоздких вычислений.

Таким образом, возникает необходимость в создании инженерной методики для расчета основных силовых параметров процесса штамповки, разработке способов формообразования и оборудования для их осуществления.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002;2010 годы и на период до 2015 года», темы «Разработка директивных технологических процессов сборки секций фюзеляжа изделия «476» в части технологических процессов формообразования унифицированных элементов тонкостенного трубопровода из высокопрочных материалов" — заказчик — ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина», договор № 951/321 от 25.07.07.

Цели н задачи исследования. Разработка и научное обоснование способов формообразования осесимметричных элементов трубопровода ЛА из особотонкостенных трубных заготовок, теоретическое и экспериментальное исследование процессов, разработка технологий и оборудования на основе полученных результатов.

Достижение цели работы требует решения следующих задач: определить кинематику пластического течения при штамповке гофра сильфона, облегченного фланца и полуфабриката переходника в разъемных матрицахполучить расчетные зависимости для определения силовых параметров процесса формообразованияпостроить номограммы для определения силовых параметров (внутреннего давления наполнителя, относительного напряжения и усилия осевой осадки) процесса формовки сильфонов, облегченных фланцев и переходниковсоздать способы и оборудование для бездефектного формообразования осесимметричных элементов трубопроводных систем эластичными средами из особотонкостенных трубных заготовокпровести металлографические исследования и ресурсные испытания осесимметричных элементов трубопровода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе метода верхней оценки и метода баланса работ (мощностей). Экспериментальная отработка производилась на гидравлическом прессе ДБ2432А с применением специально разработанной штамповой оснастки. Научная новизна работы заключается в следующих результатах: разработана математическая модель процесса формообразования осесимметричных деталей из трубных заготовок, основанная на представлении кинематики пластического течения как суперпозиции сдвига и изгибасформулированы научно обоснованные рекомендации для выбора энергосиловых параметров процессов формообразования сильфонов, облегченных фланцев и переходниковпредложен комплексный подход к проектированию технологических процессов формообразования особотонкостенных осесимметричных элементов трубопроводных систем из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталейразработанные процессы представляют собой единую технологическую схему производства элементов трубопровода посредством получения трубной заготовки и штамповки эластичными средамипредставлены результаты металлографических исследований структуры основного металла и характерных зон сильфонов и переходников.

Практическая значимость.

Создана установка для формообразования осесимметричных деталей из труб раздачей со свободным перемещением торца заготовки.

Определены ресурсные характеристики узлов трубопровода с рассматриваемыми в работе сильфонами путем их испытаний по отраслевой методике.

С использованием основных положений теоретических и экспериментальных исследований автора разработаны технологические инструкции для ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина» по определению энергосиловых и технологических параметров для бездефектного формообразования, проектированию штамповой оснастки, выбору оборудования, наполнителей, смазок и подсмазочных покрытий, применяемых при изготовлении элементов особотонкостенного трубопровода.

Разработанные технологические процессы могут быть использованы в качестве технологий двойного применения при производстве элементов облегченной трубопроводной арматуры (машины и аппараты пищевых производств), особотонкостенных оболочечных конструкций (устройства водохозяйственного оборудования — фильтры тонкой очистки жидкостей, расходомеры).

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены при постановке производства изделия «476» (ОАО «АК им. Ильюшина»),.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2006), V Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 2006), Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Воронеж, 2006, 2007), XXXVI Уральский семинар (Екатеринбург, 2006), Международная школа-семинар «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 2007), V Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Москва, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на способы формообразования и 1 решение о выдаче патента на конструкцию штампа. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,7]- определение зависимостей для расчета относительного напряжения и усилия осевой осадки заготовки- [2] - разработка технологических процессов получения заготовок и формообразования сильфонов- [3,4]-определение функции, описывающей искривление срединной поверхности заготовки, [5] - расчет геометрических параметров заготовок- [9, 13]-разработка конструкции штампа для штамповки сильфонов из малопластичных сплавов- [10] - определение зависимостей для расчета скорости изменения толщины стенки трубной заготовки в вершине гофра- [11] - результаты ресурсных испытаний сильфонов- [12] - расчет оптимального значения внутреннего давления наполнителя на первой стадии процесса- [14] — оптимизация формы предварительного гофра при формовке сильфонов последовательным способом.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 57 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 195 страницах и содержит 71 рисунок и 26 таблиц.

8. Результаты работы в виде технологических инструкций и технологических процессов формообразования элементов трубопровода ЛА внедрены на ОАО «Авиационный комплекс им. С.В. Ильюшина» (г. Москва). В виде опытных образцов особотонкостенных корпусов фильтродержателей из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т результаты работы внедрены в Государственном координационном центре «Бытовая экология» (г. Москва).