Исследование влияния импульсной нагрузки на дефекты сплошности алюминиевых сплавов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

РЫНГАЧ Николай Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ НА ДЕФЕКТЫ СПЛОШНОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

I

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела 01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Курлаев Николай Васильевич

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Гулидов Александр Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Яковлев Игорь Валентинович

кандидат физико-математических наук, Сарайкин Виталий Александрович

Ведущая организация: ФГНУ Научно-исследовательский институт

прикладной математики и механики, г. Томск

Защита состоится 21 ноября 2005 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 003.054.02 в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики им. М А. Лаврентьева СО РАН.

Автореферат разослан октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Леган М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие машиностроения и производства летательных аппаратов в частности, идет по пути усложнения форм деталей и узлов, которое вызвано рядом различных требований (аэродинамических, прочностных и др.), а также применения высокопрочных материалов. С другой стороны возникает вопрос о долговечности данных деталей, что сказывается на их эксплутационной стоимости.

Повысить долговечность деталей возможно путем уменьшения объема неоднородностей структуры материалов, в частности в виде дефектов сплошности. Одним из подобных методов является технология импульсной обработки, однако для ее эффективного применения необходимо заранее определить параметры импульсного воздействия. Таким образом, для внедрения импульсных технологий обработки давлением необходимо разработать научно-обоснованные методы применения импульсных процессов, которые будут обеспечивать увеличение долговечности деталей.

В данной работе на основе численного моделирования разрабатываются основы проектирования высокоэффективных импульсных процессов для упрочняющей обработки деталей, уменьшающих объем неоднородностей материла, приобретенных в результате технологической наследственности.

Целью настоящей работы является исследование наиболее эффективных параметров импульсной обработки деталей для уменьшения микродефектов сплошности материалов.

Научная новизна. В работе экспериментально исследовано влияние импульсного воздействия на свойства и структуру, а также на усталостную долговечность деталей из алюминиевых сплавов. Испытания алюминиевых сплавов типа Д16АТ и 1420 после магнитно-импульсной обработки (МИО) показали увеличение предела прочности в 1,04... 1,07 раза, предельного относительного удлинения в 1,15.-1,20 раза, усталостной долговечности на

На основе математического моделирования в двумерной постановке (осевая симметрия и плоское деформируемое состояние) получено решение задачи о деформировании упругопластической среды с дефектом (порой) при прохождении по ней интенсивной волны сжатия.

Из анализа результатов расчетов следует:

- введение коэффициента пористости а, как отношение объема пор ко всему объему материала, позволяет обобщать результаты задачи, полученной для одной поры, на среду с множеством пор;

- определены параметры нагрузки, при которых происходит полное смыкание дефекта;

- нагрузка, необходимая для полного закрытия вытянутого дефекта практически не зависит от ориентации дефекта в материале.

12.. .15%.

РОС. НАЦИОНАЛbHA.il | БИБЛИОТЕКА I

Методы исследования. Для исследования использовались экспериментальные и теоретические методы исследования процессов импульсного воздействия на материалы с микродефектами.

Экспериментальные исследования проводились на магнитно-импульсных установках МИУ-40/10. Изучение внутренней структуры образцов осуществлялось с применением электронного сканирующего микроскопа LEO-420. Прочностные испытания проводились с использованием электрогидравлической машины для усталостных испытаний MTS-10 и разрывной машины Р-5. Для обработки и анализа экспериментальных данных использованы вероятностно-статистические методы.

Теоретические исследования выполнялись с помощью математического моделирования. Для решения задач использовался программный комплекс KRUG, разработанный в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН.

Практическая значимость работы. В результате выполненных исследований разработана методика расчета обработки деталей импульсным воздействием, а также оригинальная конструкция индукторов для МИО, оснастки и методов штамповки. Составлен классификатор высоконагруженных деталей, переводимых на обработку давлением импульсного магнитного поля (НМЛ), для опытного и серийного производства.

Результаты численных расчетов представлены в виде номограмм, что упрощает их использование. Разработанная методика позволяет найти необходимый уровень импульсного воздействия для полной или частичной ликвидации пористости.

По результатам численных расчетов построены номограммы, позволяющие определять наиболее эффективные МИО для достижения наименьших объемов дефектов сплошности структуры материалов и полного компактирования элементов при соединении наконечника с электрожгутом.

Разработаны новые конструкций индукторов и технологической оснастки для обработки деталей давлением ИМП с целью превышения их служебных характеристик.

Достоверность используемых математических моделей подтверждена экспериментами и сопоставлением результатов численного моделирования с результатами экспериментов, проведенных на аттестованном оборудовании, оснащенном поверенной аппаратурой и приборами контроля.

Практическая реализация работы. Методы расчета, методики проектирования технологических процессов, оригинальные конструкции индукторов и оснастки, Технологические рекомендации, разработанные на основе выполнения НИР в 2001-2002 гт, внедрены на Новосибирском авиационном производственном объединении (НАПО) им. В. П. Чкалова и ОАО "ОКБ Сухого".

Апробация работы. Результаты проведенных исследований были представлены на следующих конференция и семинарах:

1.5-м Международном российско-корейском симпозиуме по науке и технологии "КОРУС-2001", 23 июня - 3 июля 2001 года в г. Томске.

2. 18-й Межреспубликанской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности (Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2001г.);

3.6-м Международном российско-корейском симпозиуме по науке и технологии "КОРУС-2002" 24 - 30 июня 2002 года в г. Новосибирске.

4. Всероссийской научно-технической конференции "Наука. Промышленность. Оборона. 2004" 21-23 апреля 2004г в г. Новосибирске.

5. IV Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория эксперимент и новые технологии", 1-3 июля 2,004 года в г. Новосибирске.

Публикации и НИР. Основное содержание диссертации отражено в 14 статьях и публикациях и 1 отчете по НИР.

Структура и объем работы. Работа содержит пять глав, общие выводы, список литературы (110 наим., 10 стр.) и приложения (3 стр.). Объем диссертации без приложений 135 стр. основного текста, 88 рисунков (66 стр.), 6 таблиц (6 стр.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется ее цель, научная новизна и практическая значимость, а также приводятся данные по апробации работы и публикации.

В первой главе дан обзор состояния проблемы уменьшения дефектов материалов высоконагруженных деталей с помощью импульсной обработки, а также определены задачи исследования.

Анализ долговечности высоконагруженных деталей, проведенный на предприятиях машиностроительной и авиационной отраслей, показал, что значительное влияние на их надежность и ресурс оказывают дефекты сплошности материалов, образующиеся в процессе производства и эксплуатации деталей.

B.JI. Колмогоров, Ю.Н. Работнов, В.И. Бетехтин, В.В. Рыбин и др. определили, что дефекты сплошности, поры в структуре материала снижают усталостную прочность и долговечность деталей. В.М. Финкель В.Б. Юдаев, C.B. Власенков, М. Кэррол, А. Холт, В. Херрман и др. исследовали возможность смыкания микронесплошностей как статическим, так и импульсным давлением. Позже это было подтверждено экспериментально В.М. Финкелем, В.И. Бетехтиным, О.В. Поповым, В.Б. Юдаевым, В.Е. Громовым. Таким образом, снизив количество дефектов материала, возможно увеличить усталостную долговечность материалов и повысить надежность деталей.

В области импульсных методов обработки металлов давлением особенно стоит отметить работы Ю.Н. Алексеева, М.А. Анучина, О.Д. Антоненкова, К.Н. Богоявленского, В.К. Борисевича, Ш.У. Галиева, Г.А. Гулого, А.А. Дерибаса, В.И. Завьяловой, Е.И. Исаченкова, В.Г. Кононенко,

B.М. Корнеева, В.М. Кудинова, Г.С. Писаренко, Р.В. Пихтовникова, С.Н. Поляка, Е.А. Попова, О.В. Попова, В.Г. Степанова, М.В. Сторожева, А.Г. Угодникова, JI.A. Шофмана, В.Н. Чачина, В. Гольдсмита, В. Прагера, Д. Пирсона, Д. Райнхарта, Ш. Кобаяши.

Одним из способов высокоскоростного нагружения материала является магнитно-импульсная обработка (МИО). Магнитно-импульсная штамповка получила интенсивное развитие благодаря работам Л.Т. Хименко, И.В. Белого,

C.М. Фертика, В.А. Глущенкова, Г.М. Лебедева, Е.Г. Иванова, Ю.А. Попова, В.А. Миронова, A.C. Столбунова, B.C. Сотникова, В.Б. Юдаева. МИО обладает рядом особенностей, главными из которых являются бесконтактное воздействие на деталь и возможность точного регулирования параметров нагружения. Также отмечается положительное влияние МИО на физико-механические свойства материалов и только с конца 80-х годов началось изучение влияния МИО на свойства материалов, в том числе и на усталостную долговечность.

Результаты проведенного обзора показали актуальность выбранной темы исследования и позволили сформулировать следующие основные задачи исследования:

1. Выделить классы высоконагруженных деталей, имеющих наименьший ресурс и наибольшую трудоемкость.

2. Экспериментально исследовать влияние воздействия ударных волн с несовершенствами структуры при импульсных нагрузках.

3 Исследовать с помощью численного моделирования влияние ударных воздействий на дефекты сплошности материала.

4. Исследовать с помощью численного моделирования влияние импульсных магнитных полей на пористость материалов и их компактирование.

5. Разработать научно-практические рекомендации по увеличению ресурса деталей импульсными методами. Классифицировать детали, рекомендуемые для изготовления и обработки импульсными методами. Спроектировать индукторы, технологическую оснастку, производственные участки для магнитно-импульсной обработки деталей и узлов машин и ЛА.

Во второй главе изложены методики и приведены результаты экспериментальных исследований воздействия импульсной обработки и ИМП на дефекты сплошности материалов.

Первоначально были произведены эксперименты по ликвидации дефектов сплошности под действием ударного нагружения. Для экспериментов изготавливались образцы из меди в виде цилиндров с дефектом в центре. Из-за сложности изготовления цельного образца со сферической полостью в его центре использовались два типа образцов, представленные на рис. 1.

В первом типе образцов (рис. 1,а) в середине, перпендикулярно оси симметрии, высверливали сквозное отверстие диаметром <^о»1,5мм. Второй тип (рис. 1,6) являлся составным из двух симметричных половин, в торцах которых засверлены конические углубления диаметром dy= 1,5мм, при этом плоскость

разъема перпендикулярна направлению удара. При соединении половин цилиндра образуется коническая полость высотой И0&с1г).

я„

о

** ■1 ц

1

а) б)

Рис. 1. Образцы для испытаний воздействия удара на дефекты сплошности материала

Образцы помещались в стальную обойму и производилось нагружение взрывом, эквивалентное ударному нагружению со скоростью 800 м/с. В результате воздействия импульсного давления происходило смыкание несплошностей в металле с достижением в зоне смыкания физического соединения поверхностей (рис.

а) б)

Рис. 2. Микрошлифы зон смыкания отверстия в меди: а) отверстие, б) коническая несплошность (Х1600)

Оценка влияния МИО на структуру и прочностные свойства материалов проводилась с помощью плоских образцов, выполненных по ГОСТ 25.502-79 тип IV (рис. 3), изготовленных из ^/-сплавов Д16АТ и 1420 (толщиной <5&=6мм и <%=2,5мм соответственно).

20 0МЛ 20

, \ к

г»

яб

2 те-"

у—

а) б)

Рис. 3. Образцы для исследования влияния ИМП

Обработка образцов ИМП производилась с помощью магнитно-импульсной установки МИУ-40/10 и плоского одновиткового индуктора площадью 5й»8000мм2. Образцы обрабатывались с двух сторон по 2 импульса ^д=19,6кДж. Одновитковый индуктор обеспечивает удельную энергию

обработки, приведенную к единице его площади м>*«2,5Дж/мм2. Схема обработки ИМП приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема обработки ИМП: (1 -корпус; 2 -шина; 3 -бандаж; 4 -изоляция; 5 -образец)

Электронная микроскопия исходных и обработанных ИМП образцов проводилась с помощью сканирующего электронного микроскопа ЬЕО-420. Обработка результатов микроскопии образцов из сплава Д16АТ толщиной 4,0 мм показала, что средняя пористость исходных образцов составила Оо=0,00142, а средняя конечная пористость после МИО составила «.¿=0,00108. Уменьшение пористости после МИО в среднем составляет »30% или д*=0,3.

Уменьшение объема пор в обработанном ИМП образце из сплава 1420 составляет »35% или ^*=0,35. При сравнении с расчетными данными номограммы для исходных параметров: коэффициент пористости о.0«О,ОО5; алюминиевый сплав с динамическим пределом текучести Г^а^ОМПа, при четырех разрядах с и>*я2,45Дж/мм2 происходит сокращение пористости на 27% или ?*=0,27.

При анализе микрошлифов различий в степени изменения пористости после МИО в образцах вдоль и поперек проката не наблюдается. И в том и другом случаях происходит примерно одинаковое уменьшение доли сечений пор относительно площади сечения микрошлифа.

На микрошлифах Д16АТ л.4,0 с увеличением хЮООО (рис. 5) видно, что на обработанных ИМП образцах наблюдается значительно меньшее количество мелких пор (размером ~0,1...0,2мкм). Полное закрытие таких пор позволяет говорить о сцеплении при контакте их границ.

а) б)

Рис. 5. Микрошлиф сплава Д16АТ л.4,0 (вдоль проката) а) исходного и б) обработанного ИМП, хЮООО

Прочностные испытания проводились с помощью разрывной машины Р-5 и электрогидравлической машины для усталостных испытаний МТЯ-Ю. Образцы, обработанные ИМП, а также в исходном состоянии были подвергнуты прочностным испытаниям на одноосное растяжение с помощью разрывной машине Р-5 не менее, чем через 30 суток после обработки. Осредненные результаты статических значений предела текучести стг, предела прочности сгв и предельного относительного удлинения бщ для сплошных исходных образцов и обработанных ИМП представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Материал Обработка Направление проката <Тг, МПа <Гв, МПа <5/о, %

1420 ИМП Вдоль 357 468 7,1

необработан. 358 450 6,0

Д16АТ ИМП 297 458 13,2

необработан. 295 430 11,0

1420 ИМП Поперек 326 467 7,2

необработан. 327 447 6,0

Д16АТ ИМП 282 452 13,0

необработан. 280 425 10,8

Предел прочности у сплава 1420 после МИО повышается в 1,04... 1,07 раза. У сплава Д16АТ наблюдается увеличение предела прочности в 1,05...1,08 раза, что уже позволяет говорить о возможности увеличения надежности деталей, обработанных ИМП. Предел текучести у сплавов 1420 и Д16АТ практически не меняется. У сплавов 1420 и Д16АТ предельное относительное удлинение увеличивается на 20%, что можно использовать для расширения технологических возможностей при изготовлении деталей обработкой давлением ИМП.

Результаты усталостных испытаний приведены на рис. 6. и в таблице 2. Из результатов следует, что МИО повышает усталостную долговечность образцов из сплава Д16АТ по сравнению с исходными образцами на =12... 15%.

мио

И сходное состояние

10000 100000 1000000 N,циклов

Рис. 6. Влияние МИО на усталостную долговечность образцов из Д16АТ сттах=160МПа, толщиной 4мм, соответствующих ГОСТ 25.502-79 тип VII (параметры цикла стах= 1 бОМПа; 11=0,1 £=20Гц)

Таблица 2

Тип образцов N, циклов S- lg N Ч

Исходное состояние 91100 0,048 0,046

МИО 104800 0,076 0,072

Из экспериментов следует, что воздействие ИМП на микродефекты сплошности и уменьшение их объема приводит к увеличению прочности и усталостной долговечности образцов.

В третьей главе представлены результаты математического моделирования влияния импульсных воздействий, вызванных ударом, на неоднородности структуры материала.

Для решения задач применен программный комплекс KRUG, разработанный в ИТПМ СО РАН. В нем реализован алгоритм численного решения уравнений механики сплошной среды, записанных в Лагранжевых <

переменных. Для описания поведения среды используется математической модель упруго-пластического течения Прандтля-Рейса.

Основные уравнения механики сплошной среды представлены в следующем виде:

= V,; УоРо = V/r, /я,= ay j + f,\

pi = 0!jB,y, a,j =-S0p + s,j; p = p(p,e)\

¿/;=°>5(V.J + v); '¡¡ + ^=2^--^j,

КритерийпластичносгиГубера-Мизеса sysy > Л = 0 - упругость, Л * 0 -пластичность. i,j=1,2,3

Здесь: х,- координаты, v, - компоненты вектора скорости, V- объем, р-плотность, a,j , kj- компоненты тензора напряжения и тензора скоростей деформаций соответственно, е- удельная внутренняя энергия, sir компоненты девиатора тензора напряжений, StJ - символ Кронекера, Р(р,е)- давление, как функция текущей плотности и энергии, Y0 - динамический предел текучести. Точка над переменными обозначает производную по времени вдоль траектории частиц.

Для оценки достоверности получаемых результатов были произведены расчеты тестовых задач, имеющих известное решение - таких как определение времени контакта при соударении тел простой формы с жесткой преградой (теории Сен-Венана и Герца), а также определение скорости распространения упругих возмущений в пористых телах и сравнение полученных результатов с соотношениями, предложенных Дж. Маккензи и A.M. Кривоглазом. В результате проведенных тестовых расчетов и сравнений с известными результатами расхождение составило не более 5%.

Для исследования импульсного воздействия на дефекты сплошности материала рассмотрена задача об ударе со скоростью у0 цилиндрического образца по абсолютно жесткой преграде. Дефект задавался либо на поверхности в виде конической выемки на торце (рис. 7,а), либо сферический внутри (рис. 7,в). Задача о не симметричном дефекте внутри образца (рис. 7,6) решалась в плоской постановке. На боковых поверхностях ставилось условие жесткой границы со скольжением без трения. Предполагается, что газовая среда внутри дефекта отсутствует, и поверхность, образующая дефект свободна опт напряжений.

и-я *Н

а) , б) в)

Рис. 7. Схемы расчетных областей: а) поверхностный дефект, б) ромбическая пора, в) сферическая пора.

В основном в расчетах высота образца Н задавалась постоянной величиной равной единице в используемой системе размерностей, менялись его радиус и размеры дефекта. В качестве характеристики дефекта введены параметры k0=L/H для вытянутого и«, = a(r!R) для сферического.

В результате удара вблизи жесткой преграды формируется зона сжатия, которая распространяется вверх вдоль оси цилиндра, и взаимодействует с дефектом в материале. Выход волны сжатия на поверхность дефекта вызывает ее движение, и как следствие приводит к уменьшению объема полости.

Путем расчета серии задач находилась минимальная скорость необходимая для ликвидации дефекта. На рис. 8 представлены зависимости изменения объема сферической поры от времени при разных значениях начальной скорости удара. Из графиков следует, что время деформирования материала в зоне дефекта ограничено, и в дальнейшем объем практически не

меняется.

1,3 3.0 2,5 2,0 1,5 1.0 0,5 0,0

-----

V.

■ft

--70м/е

-» 11 0u/c -«» I70«ie 21Sm/C

0 2 4 6 8 1 0

Рис. 8. Динамика изменения объёма сферической поры (аго«0,015, У0=ЗЮМПа), при различных скоростях удара.

На рис. 9 приведены графики минимальной скорости, необходимой для полного смыкания вытянутого (ромбического) дефекта, в зависимости от величины коэффициента ¿„ при разных углах наклонах оси дефекта к оси образца при постоянном коэффициенте пористости.

Рис. 9. Зависимость минимальной скорости, необходимой для смыкания поры в

зависимости от К

Как следует из этих результатов, минимальная скорость, при которой объем дефекта уменьшается до нуля, определяется в основном от коэффициента вытянутости, и практически не зависит угла наклона.

Расчеты задач для тел с системой пор показали, что процесс изменения объема пор происходит последовательно при взаимодействии их с волной сжатия, и минимальная скорость, необходимая для полного смыкания всех дефектов в теле при постоянном начальном значении коэффициента пористости а0 практически не зависит от числа и расположения дефектов.

По результатам численных расчетов для различных скоростей удара и различных материалов с различной начальной пористостью составлена номограмма, по которой можно определить скорость удара, необходимую для полного или частичного смыкания поры.

В четвертой главе приведено исследование воздействия НМЛ на дефекты сплошности материалов. Электромагнитная сила (/ = 7 * в), действующая на единицу объема, введена в систему уравнений (1) в уравнение закона изменения импульса материальной частицы:

^200

О

О 5 10 15 20 25 30 К,

(¡-1,2,3).

где: вт = ^т— максимальное значение магнитной индукции;

т

1„ = /0ехр Р агаш^! - /?2)~ максимальное значение силы тока;

ое*Р -

апяш

/0 — амплитуда незатухающего тока; Р=

безразмерный параметр

затухания; Л, С и I — соответственно общие сопротивление, емкость и

т = а>0ф~ р— частота затухающих колебаний тока, у — электропроводность

Д)=1,257мкГн/м — магнитная постоянная.

В данном случае параметрами, определяющими величину электромагнитной нагрузки, являются емкость конденсатора и его напряжение, таким образом, меняя напряжение зарядки конденсатора меняется силовое

воздействие на металл, и, соответственно энергия конденсатора (IV): № -си

Для проверки соотношений для расчета электромагнитных сил, приведенных выше, были произведены расчеты процесса обжатия наконечников электрожгутов, т.к. существует большое количество данных о процессе, полученных экспериментально, что позволяет сравнить расчетные данные с экспериментом и оценить достоверность получаемых результатов.

Данная задача может быть рассмотрена с точки зрения компактирования пористого тела. В плоской постановке рассматривается задача о деформировании системы цилиндрических тел, заключенных в трубчатый наконечник (рис. 10). В таком приближении исходная геометрия расчетной области симметрична относительно трех плоскостей, ориентированных под углом 60° относительно друг друга и проходящих через центральную жилу. При такой геометрии задачи возможно рассмотрение только в секторе с углом в 60 градусов, ограниченном двумя жесткими границами со скольжением без трения, что позволяет существенно упростить и ускорить получение решения.

индуктивность разрядного

толщина скин-слоя,

1

материала, а>0 = —=

циклическая частота разрядного контура,

Рис. 10. Расчетный сегмент системы "наконечник - жгут'

,1Т

Количество жил, их размер и размеры наконечника для каждого конкретного случая выбирались исходя из отраслевого стандарта ОСТ 10082288. Путем расчета серии задач находилась минимальное напряжение конденсатора, необходимое для полного обжатия наконечника электрожгута.

Для исходных параметров силового воздействия были использованы паспортные данные установки МИУ-20/5 {Но =1.. .5кВ, С=840мкФ, собственная частота 25 кГц, длительность полупериода разрядного тока, когда реализуется максимальное давление ИМП, т=19 мкс). В результате расчетов была найдена минимальные напряжение и энергия МИУ, необходимые для полного обжатия наконечника электрожгута для каждого конкретного типоразмера. Определено, что полное компактирование жил электрожгута возможно лишь в случае, когда внутренняя поверхность наконечника приобретает скорость свыше 100 м/с. На рис. И приведен кинематика магнитно-импульсного обжима наконечника диаметром 7мм. При сравнении результатов расчета с экспериментальными данными, полученными в НАПО, различие не превысило 3% по величине напряжения заряда МИУ._ _

5мкс Юмкс 15мкс

Рис. 11. Кинематика обжатия наконечника на электрожгуте

Для исследования воздействия ИМП на дефект сплошности материала в осесимметричной постановке расчетная область предоставлена на рис. 12. Для данной области справедливы все допущения, сделанные при расчетах при ударном нагружении.

Учитывая, что в процессе пластического деформирования пористость не превышает предела в 1,5%, в рамках данной работы верхний предел пористости принят равным 1,5%. Высота расчетной области равна ее диаметру, изменялись размеры поры для получения различных коэффициентов пористости.

На рис. 13 приведена кинематика процесса изменения объема сферического дефекта. В первые микросекунды (0...5 мкс) происходят формирование волны сжатия в зоне скин - слоя. Вдоль внешней (свободной) поверхности образуется небольшая зона разгрузки. Волна сжатия движется вдоль оси цилиндра, взаимодействует с порой и вызывает движение ее границы. В отличии от ударного нагружения, фронт волны в этом случае растянут и зависит от собственной частоты установки. Поэтому основное деформирование материала в зоне поры (5... 12мкс) происходит в условиях всестороннего обжатия после того, как передняя граница зоны сжатия пройдет ] через дефект. Процесс смыкание поры заканчивается на 10... 12 мкс (в

('' зависимости от приложенной нагрузки, исходной пористости и свойств

материала), а далее идет разгрузка и упругие колебания.

1—0 мкс 1 — 5 мкс 1 — 7 мкс 1=10 мкс

Рис. 13. Кинематика процесса ликвидации сферического дефекта (поры)

При определенной величине напряжения дефект может быть закрыт, причем это значение выше необходимого для начала ликвидации сферической поры.

| Расчеты показали, что минимально необходимое напряжение

конденсатора МИУ для полного смыкания зависит, главным образом, от исходного коэффициента пористости и динамического предела текучести.

.* Таким образом, основным показателем является не размер поры или их

количество, а относительный объем пор или исходный коэффициент пористости, который можно считать характеристикой материала.

По результатам расчетов построена номограмма определения энергетических режимов воздействия ИМП для смыкания пор внутри материала.

Экспериментальные результаты по уменьшению объема пор для А1-сплавов при МИО имеют расхождение с результатами численного моделирования в 1,2...1,3 раза, что свидетельствует об удовлетворительном соответствии расчетных данных с экспериментом.

В пятой главе представлены разработанные конструкции индукторов и

технологической оснастки для магнитно-импульсной обработки металлов.

В первом разделе представлена конструкция композиционного одновипсового индуктора для обжима наконечников электрожгутов и технологические параметры МИО.

Во втором разделе представлена конструкция композиционного многовиткового индуктора для обработки плоских деталей ИМП, технологическая оснастка и схемы обработки.

В конце главы приведены краткие рекомендации по использованию технологической оснастки для обработки металлов ИМП и необходимые требования к технологическому оборудованию.

В разработанных конструкциях индукторов снижено использование цветных металлов и увеличена долговечность и ремонтопригодность, по сравнению с традиционными конструкциями.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В работе проведено экспериментальное исследование смыкания несплошностей структуры (в виде круглых и вытянутых пор) в алюминиевых сплавах Д16АТ и 1420 при импульсном воздействии. Испытания обработанных образцов показали увеличение предела прочности в 1,04... 1,07 раза и усталостной долговечности в 1,12...1,15 раза, предельного относительного удлинения в 1,15...1,20 раза.

2. В задачах об ударном нагружении и деформировании тел с дефектами сплошности установлено, что минимально необходимая скорость для их полного смыкания зависит главным образом от коэффициента вытянутости (кв) для удлиненной формы дефекта в плоском случае и исходного коэффициента пористости (осо) для круглых пор в осесимметричной постановке. Это позволяет обобщать результаты решения задачи, сформулированной для одной поры, на среду с множеством пор.

3. Решена задача об обжатии наконечника электрожгута под действием ИМП в плоской постановке. Определено, что компактирование жил электрожгута возможно лишь при достаточных скоростях наконечника в момент контакта с жилами, что возможно при обеспечении начального зазора между ними. При сравнении результатов расчета с экспериментальными данными различие не превысило 3%.

4. С помощью численного моделирования исследовано смыкание сферической поры под действием давления, создаваемого ИМП. Исследована динамика изменения объема поры и зависимость минимально необходимого напряжения заряда конденсаторов МИУ от динамического предела текучести и коэффициента пористости для полного смыкания поры в различных алюминиевых сплавах.

5. Результаты численных расчетов представлены в виде инженерных методик (номограмм), позволяющих в производственных условиях определять наиболее эффективные режимы импульсной обработки. Установлено, что для

полного смыкания пор с коэффициентом пористости а(>=0,1.. 1,5% достаточно применения импульса разряда МИУ в пределах 3... 10 кДж/см2.

6. Разработаны технологические рекомендации, новые конструкции индукторов для МИО и обжима наконечников электрожгутов ИМП. В результате внедрения возможно создание новых и модернизация существующих участков для МИО, а также проектирование новых технологических процессов импульсной обработки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ:

1. Kurlayev N., Gulidov A., Ryngach N. and Mishukov A. Computer simulation of aircraft wires tips compression by pulse magnetic field/ The 5-th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology. -June 26-July 3, 2001, Tomsk, Russia. Proceedings KORUS 2001. -Vol.1. -P.36-39.

2. Курлаев H.B., Гулидов А.И., Юдаев В.Б. , Рынгач Н.А., Покалюхин Ю.С. Численное моделирование процесса сборки наконечников с электрожгутами давлением импульсного магнитного поля// Кузнечно-пггамповочное производство - Обработка металлов давлением.- 2001.- № 8. - С.38-42.

3. Курлаев Н.В., Гулидов А.И., Рынгач Н.А. и др. Смыкание несплошностей в структуре материалов деталей при магнитно-импульсной обработке // Научный вестник НГТУ. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - № 1(12). -С.131-140.

4. Курлаев Н.В., Рынгач Н.А. Смыкание микропор в материалах сварных деталей воздействием импульсного магнитного поля / Моделирование процессов в синергетических системах: Сб.статей. - Улан-Удэ-Томск: Изд-во ТГУ, 2002. - С.217-219.

5. Kurlaev N.V., Gulidov A.I., Pokaljuhin Yu.S., Ryngach N.A. Investigation of porous materials properties under pulsed loading / Materials of The 6-th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology KORUS-2002. June 24-30, 2002 at Novosibirsk State Technical University, Russia. - Novosibirsk: NSTU, 2002. - Vol.3. -P. 124.

6. Курлаев H.B., Гулидов А.И., Рынгач Н.А. Определение влияния основных факторов нагружения и характеристик материала на уменьшение пористости при импульсной обработке металлов давлением // Научный вестник НГТУ. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - № 2(15). - С.13-24.

7. Курлаев Н.В., Гулидов А.И., Юдаев В.Б., Рынгач Н.А. Моделирование воздействия импульсного магнитного поля на несплошности в структуре материалов деталей // Проблемы машиностроения и надежности машин. -2003.- №2. - С.80-86.

8. Гулидов А.И., Курлаев Н.В., Рынгач Н.А. Влияние формы и времени импульсного нагружения на смыкание пор в структуре материалов/ Численные методы решения задач теории упругости и пластичности. Труды XVIII Межреспубликанской конференции, Кемерово, 1-3 июля 2003 г. -Новосибирск: Изд-во ИТПМ СО РАН, 2003. - С.63-68.

9. КурлаевН.В., ГулидовА.И., РынгачН.А. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния магнитно-импульсной обработки на дефекты сплошности материалов // Сборник научных трудов НГТУ. -2004.-№4(38).-С.65-74.

Ю.Курлаев Н.В., Гулидов А.И., Рынгач H.A. Экспериментальные исследования изменения прочностных свойств и структуры материалов при обработке импульсным магнитным полем // Сборник научных трудов НГТУ. - 2004. -№4(38). - С.75-82.

11.Рынгач H.A. Определение параметров ударного нагружения для смыкания пор в материалах / Материалы Российской научн.-технич. конференции "Наука. Промышленность. Оборона" (НГТУ, 21-23 апреля 2004г.).-Новосибирск: НГТУ, 2004. - С.79-80.

12.Рынгач H.A. Определение эффективных режимов магнито-импульсной обработки для уменьшения объема пор в металлах и сплавах / Материалы Российской научн.-технич. конференции "Наука. Промышленность. Оборона" (НГТУ, 21-23 апреля 2004г.).- Новосибирск: НГТУ, 2004. - С.67-68.

13.Рынгач H.A. Оптимизация параметров магнито-импульсной обработки давлением для уменьшения пористости материалов / Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии. Тезисы IV Всероссийской конференции молодых ученых, Новосибирск, 1-2 июля 2004г. -Новосибирск: Изд-во ИТПМ СО РАН, 2004. - С.35-36.

И.Курлаев Н.В., Гулидов А.И., Мержиевский JI.A., Рынгач H.A. Влияние импульсной обработки на дефекты сплошности и долговечность материалов// Научный вестник НГТУ. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. -№ 1(18). - С.97-110.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел. 346-08-57 формат 60x84/16, объем 1,25пл., тираж 100 экз., заказ №//5-^ подписано в печать 14.10.05 г.

Us 20 122

РЫБ Русский фонд

2006-4 18095