Разработка и исследование процессов деформирования профилей из высокопрочных авиационных материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ



ы $е- Г/ —

/» /

Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение

На правах рукописи

/2 , // ^

Л

......

с/'

Д

< -г

Макаров Константин Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРОФИЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АВИАЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.02.04 "Механика деформируемого

твердого тела"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................... 10

1.1. Номенклатура деталей летательных аппаратов,

получаемых деформированием профилей............................ 10

1.2. Характеристика высокопрочных авиационных материалов...... 14

1.3. Анализ существующих способов деформирования профилей... 25

1.4. Методы интенсификации процессов деформирования

профилей с растяжением................................................. 34

1.5. Современное состояние теоретических исследований

процессов деформирования профилей................................. 44

1.6. Задачи исследования...................................................... 60

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ......................... 61

2.1. Моделирование процессов деформирования и разгрузки профилей с применением электроконтактного нагрева............. 61

2.2. Исследование локализации пластической области методом линий скольжения при деформировании заготовки намоткой на пуансон с растяжением................................... 81

2.3. Исследование раскатки стенки профиля роликом.................. 91

2.4. Особенности деформирования несимметричных профилей...... 109

2.5. Оценка предельных возможностей процесса деформирования профилей с растяжением и раскаткой внешней части сечения....................................................................... 113

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ............... 119

3.1. Исследование полей деформаций методом муара.................. 119

3.2. Металлографические исследования................................... 128

3.3. Определение остаточных напряжений................................ 137

3.4. Определение коррозионной стойкости деталей..................... 142

3.5. Экспериментальное исследование предельных

возможностей деформирования профилей............................ 144

3.6. Экспериментальное определение оптимальных параметров деформирования профилей уголкового сечения.......... ........... 146

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

В СЕРИЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО................................. 154

4.1. Рекомендации по выбору оборудования

и проектированию технологической оснастки....................... 154

4.2. Рекомендации по выбору оптимальной зоны раскатки

для профилей различных сечений...................................... 164

4.3. Оценка экономической эффективности от внедрения разработанных технологических процессов.......................... 169

ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРОФИЛЕЙ............................................................. 175

5.1. Перспективная установка для деформирования профилей....... 175

5.2. Перспективные схемы деформирования.............................. 179

5.3. Использование электроимпульсного воздействия

при формообразовании деталей из профилей........................ 192

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................ 199

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................ 201

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .................................................................. 211

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.................................................................. 217

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.................................................................. 230

ВВЕДЕНИЕ

Детали, получаемые деформированием прессованных и гнутых из листа профилей, используются во многих элементах конструкции планера летательного аппарата. Объясняется это тем, что при относительно небольших размерах поперечного сечения, а следовательно, незначительной массе, профили обладают весьма высокой удельной сопротивляемостью к действию внешних нагрузок.

Большая часть деталей из профилей формирует внешние аэродинамические контуры летательного аппарата, что обусловливает высокие требования по точности к ним. Технологический процесс деформирования профилей должен также обеспечивать высокую производительность и возможность автоматизации при относительно небольшой стоимости оснастки и оборудования, иметь малую чувствительность к разбросу механических свойств и геометрических размеров сечения профильного полуфабриката.

Около 15...20% номенклатуры криволинейных профильных деталей в самолетостроительном производстве изготавливается в настоящее время на профилеобтяжных станках. Использование новых авиационных материалов (в первую очередь титановых сплавов) привело к тому, что трудоемкость доводочных работ, выполняемых в основном вручную, возросла до 80% от общей трудоемкости

Наиболее приемлемым путем повышения точности и производительности, снижения объема доводочных работ и себестоимости изготовления деталей является разработка технологических процессов получения деталей на профилеобтяжных станках с программным управлением, оборудованных доводочным устройством и устройством для электроконтактного нагрева, что позволяет оптимизировать процесс деформирования профилей с учетом геометрических размеров заготовок, механических свойств материала, режимов деформирования и получить относительно точную деталь без проведения дополнительных доводочных работ вне станка.

Однако, несмотря на перспективность, указанное выше направление до последнего времени не находило широкого применения в производстве из-за недостаточной изученности технологических возможностей, механизмов деформирования и разгрузки как для формообразования с применением электроконтактного нагрева, так и силовой интенсификации.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходи-

мостью разработки, исследования и освоения в производстве процессов деформирования профилей, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели.

Целью работы является разработка и исследование процессов деформирования профилей из высокопрочных авиационных материалов с применением силовой и температурной интенсификации.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием:

- уравнений упруго-пластического течения и численного метода их решения;

- современных методов экспериментальных исследований на образцах и натурных заготовках из профилей (метода муара для определения полей деформаций; металлографического анализа макро- и микроструктуры для оценки качества получаемых деталей и др.).

Научная новизна работы состоит в следующем:

- построена уточненная математическая модель, позволяющая учесть влияние силовой и температурной интенсификации при расчете напряженно-деформированного состояния и геометрических размеров получаемых деталей как на этапе нагружения, так и при разгрузке;

- получены новые теоретические и экспериментальные зависимости для расчета предельных технологических возможностей исследуемого процесса, а также параметров, обеспечивающих получение деталей с требуемой степенью точности;

- выполнен расчет деформирования с растяжением с учетом локализации пластической области;

- исследованы особенности деформирования профилей несимметричного относительно плоскости изгиба сечения;

- предложены и исследованы новые эффективные способы и схемы деформирования профилей различных сечений, защищенные авторскими свидетельствами и патентами.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием при теоретических исследованиях уравнений механики деформируемого твердого тела апробированного численного метода решения дифференциальных уравнений пластического течения, соответствием теоретических и экспериментальных результатов, успешной реализацией разработанной технологии в производстве.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- определены оптимальные параметры разработанных процессов, их технологические возможности и средства реализации;

- разработано программное обеспечение, используемое для автоматизированного расчета при проектировании технологических процессов;

- совместно с Национальным институтом авиационных технологий (НИАТ) и другими организациями разработано техническое задание на проектирование специализированного профилеобтяжного станка с доводочным устройством и программным управлением;

- проведен комплексный анализ качества получаемых деталей;

- полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в серийное производство на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении (КнААПО), НИАТ и других предприятиях авиационной отрасли.

Экономический эффект от внедрения разработанной технологии только на КнААПО составил 55 млн. руб. на одно изделие (в ценах 1997 года). Полученный экономический эффект при внедрении новых технологических процессов и методики расчета их параметров обусловлен повышением качества деталей, сокращением трудоемкости их изготовления и снижением затрат на освоение при использовании разработанного технического материала.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов и XX научно-технической конференции (МАТИ им. К.Э.Циолковского, 1987, 1988); научно-технической конференции «Участие и роль молодых ученых и специалистов машиностроительных предприятий г. Москвы и Московской области в деле повышения качества продукции» (г. Москва, 1986); XVIII научно-технической конференции молодых специалистов и членов НТО (г. Киев, 1987); I научно-технической конференции на ММЗ «Скорость» (Москва, 1986); научно-технических семинарах «Интенсивная технология обработки металлов давлением» и «Эффективная технология и техническое перевооружение кузнечного и листоштамповочного производства» в Московском Доме научно-технической пропаганды (1987, 1989); международной конференции «Технические средства, методы расчета прочностных характеристик, технологии, обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкций из новых материалов в машиностроительной, горнодобывающей и нефтегазовой промышленности" (г.

Комсомольск-на-Амуре, КнАПИ, 1992); международном научно-техническом симпозиуме "Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока" (Комсомольск-на-Амуре, КнАПИ, 1994); 4-й Дальневосточной научно-практической конференции "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий» (Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ, 1995); 4-й Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, ВПУ, 1996); Всемирном Салоне изобретений «Брюссель-Эврика» (Бельгия, 1995, 1998), где экспонаты были удостоены серебряной и золотой медалей; международной научно-технической конференции «Проблемы механики сплошной среды» (Комсомольск-на-Амуре, 1997); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98» (Москва, МГАТУ, 1998); XVII отраслевой научно-технической конференции «Пути технического перевооружения и развития производства в современных экономических условиях» (Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ, 1998); международной научно-технической конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ, 1998); семинарах по проблемам сплошной среды в Институте автоматики процессов управления ДВО РАН (Владивосток, ИАПУ, 1997-1998).

Публикации. Основные результаты исследований опубликовацы в 69 работах, в том числе: 5 монографиях, 27 изобретениях, 37 статьях и тезисах докладов.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно проводил теоретические и экспериментальные исследования процессов формообразования деталей методами пластического деформирования, результаты которых отражены в диссертации. Соискатель лично занимался разработкой и отладкой компьютерных программ, анализом полученных результатов.

Вместе с тем, автор считает своим долгом выразить благодарность коллегам, работавшим с ним по данной тематике: В.И. Ершову, В.И. Оди-нокову, Б.Н. Марьину, А.И. Хромову, В.И. Муравьеву и др., являющимися соавторами в ряде работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 210 страницах основного текста, содержит 92 ри-

сунка, 19 таблиц, список литературы из 13 Наименования и приложения на 25 страницах. Общий объем 235 страниц.

В первой главе приведен обзор номенклатуры деталей летательных аппаратов, получаемых деформированием профилей, дана их классификация по технологическим признакам. Представлены также характеристика современных авиационных материалов, анализ известных схем деформирования и способов интенсификации. Рассмотрено состояние вопроса в области теоретических исследований. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе проведены теоретические исследования процессов деформирования профилей с растяжением по пуансону с применением электроконтактного нагрева и раскатки роликом, а также разгрузки после снятия внешнего нагружения.

Моделирование напряженно-деформированного состояния заготовки при изгибе с растяжением по пуансону с возможностью применения электроконтактного нагрева и последующей разгрузки выполнено в рамках теории малых упруго-пластических деформаций, соответствующие уравнения были решены численно с использованием бескоординатного метода В.И.Одинокова.

В работе приведено также решение задачи об изгибе заготовки с растяжением с учетом локализации пластической области. Исследованы поля линий скольжения и скоростей перемещения в пластической области.

Задачу раскатки изогнутого с растяжением по оправке профиля ре- \/ шена вариационным методом. При этом учтены особенности данного процесса (влияние предшествующего изгиба с растяжением на распределение напряжений и упрочнение материала, влияние растяжения на смещение критического угла и ряд других).

Рассмотрены особенности деформирования профилей, имеющих несимметричное относительно плоскости изгиба сечение. Наряду с пружине-нием после снятия внешней нагрузки в этом случае будет иметь место закрутка (общий разворот сечения) вследствие изгиба в плоскости, перпендикулярной плоскости основного изгиба при несовпадении плоскости изгиба и главных осей инерции сечения.

Приведена оценка предельных возможностей процесса деформирования профилей с растяжением и раскаткой внешней части сечения.

В третьей главе содержатся результаты экспериментальных исследований по проверке полученных теоретических зависимостей, определяю-

щих напряженно-деформированное состояние как в процессе нагружения, так и разгрузки, проведен также комплексный анализ качества получаемых деталей.

Исследованы распределение остаточных напряжений и деформаций, склонность к коррозионному растрескиванию деталей. Проведены также металлографические исследования макро- и микроструктуры, экспериментальная оценка предельных возможностей процесса. По результатам экспериментов получена методика выбора оптимальной зоны раскатки стенки деформируемого профиля.

Четвертая глава посвящена вопросам внедрения результатов диссертационной работы в серийное производство. Дана характеристика оборудования и технологической оснастки, применяемой при освоении разработанных процессов.

Процесс деформирования профилей с растяжением с применением электроконтактного нагрева заготовки осуществляется на профилегибоч-ном станке ПГР-7, оснащенном установкой для электроконтактного нагрева на базе двух однофазных трансформаторов типа ТКП 150/2.

Для реализации процесса гибки профилей с применением силовой интенсификации на КнААПО использован профилегибочный растяжной станок фирмы «Иноченти» с доводочным устройством.

Приведен расчет экономической эффективности.

В ЧУ _____

пятой главе приведены перспективы дальнейшего совершенствования схем деформирования профилей. Приведено описание перспективной установки ПГР-7 АД с программным управлением и доводочным устройством, на котором будет возможно в полной мере реализовать все результаты исследований рассматриваемого процесса деформирования профилей. Предложен ряд перспективных способов деформирования и устройств для их реализации.

В приложениях приведены программы и результаты расчета на ЭВМ моделируемых процессов деформирования профилей, технико-экономические акты внедрения.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Номенклатура деталей летательных аппаратов, получаемых деформированием профилей

Профили представляют собой наиболее многочисленную по номенклатуре, количеству и трудоемкости изготовления группу деталей, летательных аппаратов [1]. В конструкции самолета среднего класса количество деталей из профилей достигает