Разработка и освоение процессов деформирования листовых заготовок под сборку летательных аппаратов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

У * 4*3 *—4

'С/

АЛСьЬ оТо^Н

** <9 / А V ,

КОМСОМОЛЬСКОЕ-НА-АМУРЕ АВИАЦИОННОЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

На правах рукописи

Иванов Юрий Леонидович

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК ПОД СБОРКУ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

01.02.04 - механика деформируемогтгтвердого тела

/ 93 ЯЗ^/р

Диссертация на соискание ученой степени

наУк

Владивосток 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................................... 5

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК .. 16

1.1. Основные технологические параметры, определяющие процесс деформирования листовых заготовок ................ 16

1.2. Влияние гидростатического давления ....................... 21

1.3. Влияние электроипульсной обработки на диаграмму ст-в 26

1.4. Анализ основных факторов, влияющих на предельные возможности процессов деформирования листовых заготовок ........................................................................ 36

1.5. Анализ конструктивно-технологических особенностей деталей титановых отсеков самолетов ........................... 44

Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА ОТБОРТОВКИ ОТВЕРСТИЙ ЗАГОТОВКИ ....................53

2.1. Постановка задачи ..............................................................................................53

2.2. Численная схема решения задачи ........................................................56

2.3. Моделирование процесса отбортовки отверстий в лис-. товой заготовки шаровым пуансоном ........................................................59

2.4. Изготовление фланцевых изделий ......................................................77

2.5. Моделирование процесса отбортовки отверстий с медной подушкой .....................................................................82

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ............ 92

3.1. Задачи и содержание экспериментальных исследований процесса формообразования деталей с применением электровоздействия на заготовку ........................................ 92

3.2. Выбор оборудования и технологической оснастки ............92

3.3. Разработка источника питания ................................................................95

3.4. Подготовка листовой заготовки и ее форма ..............................103

3.5. Электротермическое воздействие на заготовку ......................104

3.6. Трение ..........................................................................................................................107

3.7. Оценка деформированного состояния заготовки в зонах формовки выштамповок по изменению параметров делительной сетки ....................................................................................................................111

3.8. Исследование точности отштампованных деталей ..............116

3.9. Сравнительный анализ усилия деформирования ..............116

3.10. Исследование влияния режимов высокотемпературной листовой штамповки на физико-механические свойства деталей из сплава ВТ20 ................................................................................................118

Глава 4. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК ................................................ 132

Глава 5. ОСВОЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХПРОЦЕССОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАГОТОВКИ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОСНАСТКИ ............... 142

5.1. Выбор оптимальной схемы деформирования для процесса штамповки деталей сложной пространственной формы из листовых титановых заготовок ............................ 142

5.2. Опытно-промышленное изготовление деталей из листовых титановых заготовок с ЭТВ ................................... 149

5.3. Технико-экономическая эффективность .................... 154

5.4. Перспективный способ штамповки листовых титановых заготовок с применением интенсификации мощными импульсами тока (ИМИТ) .............................................. 158

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ........................................................... 163

ЛИТЕРАТУРА ................................................................ 165

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Классификатор деталей, изготавливаемых из титанового сплава ВТ20 на самолет СУ27 и его модификации ....................................................................... 176

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа "Отбортовка" ........................... 184

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения результатов диссертационной

работы ................................................................... 236

ВВЕДЕНИЕ

Развитие авиационной техники и технологии неразрывно связано с механикой деформируемого твердого тела, а в настоящее время и в обозримом будущем связано с возрастанием требований к эффективности, экономичности и надежности самолетов, что, в свою очередь, связано с уменьшением материалоемкости конструкции, увеличением удельной прочности и жесткости деталей планера, применением все более высокопрочных и труднодеформируемых металлов (таких, как титановые сплавы) при увеличении монолитности и точности изготавливаемых деталей.

Детали из титановых сплавов работают в сложных условиях. Так, например, обшивки самолетов, которые применяются при изготовлении передних кромок крыла, стабилизатора, элеронов, хвостовой части фюзеляжа, при скоростях 3...4 М, нагреваются до 400...500 °С. Изготавливают из титановых сплавов детали внутреннего набора и "горячих" зон самолета: нервюры, диафрагмы, жесткости, косынки, чашки, днища, т.е. от физико-механических характеристик этих деталей зависит ресурс и надежность эксплуатации самолета в целом. Одновременно трудоемкость каждой преемственно-последующей машины увеличивается на 20...50% при постоянном уменьшении количества работающих в производственной сфере.

Решение указанных проблем имеет особое значение в производстве листо-штампованных деталей из титановых сплавов. В структуре трудоемкости листовых титановых деталей ручные доводочные работы в серийном производстве достигают 65...75 %, а в опытном - 80...100 %. Ситуация продолжает ухудшаться со все большим применением титановых сплавов, делающих, зачастую, невозможным ручное изготовление деталей или их доработку (рис. 1).

Необходимо создавать и осваивать новые эффективные технологические процессы деформирования, позволяющие изготавливать детали из труднодеформируемых сплавов с минимальным объемом их доработки, что связано с механикой деформируемого твердого тела.

Указанным требованиям во многом отвечают процессы штамповки с применением электровоздействия, обладающие технологической гибкостью и управляемостью, легко механизируемые и автоматизируемые. Оборудование для их выполнения является универсальным, мобильным, недорогим и недефицитным. Процессы изготовления деталей в штампах с

Актуальность исследований для авиационной промышленности

1. Люк верхний-2шт.;

2.Панель верхняя-2шт.;

3.Панель верхняя с люком-2шт.;

4.Панель боковая наружная-4шт.;

5.Пзнель боковая внутренняя-4шт.;

6.Панели боковые-12шт.;

7.Панель нижняя-2шт.;

8.Люк нижний-2шт.;

9.Шлангоут-2шт.;

Ю.Балка крепления двигателя-2шт.;

11.Шпангоут-2шт.;

12.Шпангоут-2шт.;

■ 13.Хвостовая балка-2шт.; 14.Шлангоут-2шт.

Рост трудоемкости штамповки листовых деталей

о,

Объем холодно деформируемых деталей в конструкции ЛА (по ном.)

Трудоемкость изготовления Трудоемкость заготовителъно-деталей планера штамповочньк работ

Л98йгНШЯа®К28Ьмяая

¿£- листа, профили, трубы; Ш механическая обработка; Ш неметаллы;

горячее деформирование;

т

прочие.

из прессованных профилей; обшивка;

нервюры, стенки, риафрагмы; двери, люки, окантовки; трубопроводы; прочие.

слесарные и доводочные работы; расконсервация, раскрой; штамповка.

Преимуществами процессов штамповки являются: высокая экономическая эффективность, возможность механизации и автоматизации, получение деталей с заданными точностью и физико-механическими свойствами.

Рис. 1. Основы проектирования эффективных процессов отбортовки фланцев в жестких штампах с электротермическим воздействием на заготовку

применением электровоздействия на заготовку (ШПЭЗ), как наиболее гибкие, управляемые являются рациональными для изготовления листовых деталей с габаритами до 1800 х 800 мм и толщиной до 3,0 мм из алюминиевых и титановых сплавов.

Электровоздействие на заготовку включает два варианта - применение электрического тока промышленной частоты для интенсификации формообразующих операций за счет нагрева электросопротивлением заготовки (электротермическое воздействие ЭТВ) и подача мощных импульсов тока в заготовку (электроимпульсное воздействие ЭИВ), что существенно повышает показатели пластичности металла и последующие после штамповки эксплуатационные показатели деталей.

Внедрение технологий штамповки в ШПЭЗ во многом сдерживается отсутствием научно-обоснованных методов и средств управления технологическими параметрами: распределением температуры по площади заготовки, длительностью нагрева, количеством подаваемой удельной энергии и др., в особенности для титановых сплавов. Без решения этих вопросов процессы могут давать результаты хуже традиционных методов штамповки и их внедрение становится нерациональным, а в отдельных случаях, и невозможным.

Управление указанными параметрами позволяет увеличить степень деформации за один переход, получать детали заданной точности при минимальной трудоемкости и себестоимости, улучшить физико-механические свойства и повысить ресурс изготавливаемых деталей.

В представляемой диссертации разработаны научно-практические основы проектирования высокоэффективных процессов штамповки деталей из листа в штампах с применением ЭТВ на заготовку на базе оптимизированных технологических параметров и схем.

Разработанные технологические процессы и средства штамповки в ШПЭЗ существенно снижают затраты производства при освоении новых изделий, в особенности из высокопрочных труднодеформируемых сплавов, уменьшают (или ликвидируют) объем ручных работ в опытном и серийном производствах.

Целью работы является исследование, усовершенствование и освоение в производстве технологических процессов изготовления деталей сложной пространственной формы из листовых заготовок в штампах с применением электротермического воздействия на заготовку, для снижения себестоимости изготовления и улучшения качества изделий.

Методы исследования, использованные в работе, включают в себя:

— разработку математической модели процессов штамповки листовых деталей в 1ППЭЗ на основе деформационной теории пластичности.

— экспериментальное исследование основных параметров процесса.

— статические и усталостные испытания образцов, металлографические исследования микро- и макроструктуры, химический анализ поверхностного слоя деталей после штамповки.

Научная новизна заключается в следующем:

— разработана математическая модель процесса отбортовки фланца по жесткому пуансону, учитывающая влияние сил трения между заготовкой и поверхностью пуансона, упрочнение материала в процессе деформирования, силовую, термическую и электротермическую интенсификации;

— выполнен весь комплекс экспериментальных исследований характеристик деталей из титановых сплавов после разных схем нагруже-ния, на основе которых предложены и разработаны: оптимальные режимы энергетического и силового воздействия на заготовку; определены оптимальные способы отбортовки фланцев, например: пакетные; определены оптимальные сборно-разъемные конструкции пуансонов, обеспечивающие необходимый температурный режим и трение.

Достоверность работы подтверждается использованием при теоретических исследованиях фундаментальных уравнений механики деформируемого твердого тела, апробированного численного метода решения дифференциальных уравнений пластического течения, удовлетворительным соответствием теоретических и экспериментальных данных в проводимых исследованиях.

Практическую значимость работы составляют:

— Методика расчета эффективных типовых процессов штамповки листовых деталей Л.А. в ШПЭЗ, оригинальные конструкции оснастки, методы штамповки, защищенные рядом авторских свидетельств и патентов на изобретения. Предложенные зависимости для расчета параметров открывают пути для машинного проектирования технологических процессов с ЭТВ на заготовку.

— Рекомендации по технологическому проектированию заготовок и деталей, а также классификатор деталей, переводимых на штамповку в ШПЭЗ, для опытного и серийного производства.

— Комплексные материалы по разработке и внедрению технологи-

чсских процессов, изложенные в технологической инструкции 0750.9416.25221.00758 "Формообразование деталей из листовых титановых сплавов с электроконтактным нагревом заготовок".

Реализация в промышленности.

Методы расчета, методики проектирования и практические рекомендации, разработанные на основе выполнения НИР в 1990-1998 г.г. пот руководством и при участии автора, нашли практическое применение на предприятиях авиационной промышленности. На Комсомольском-на-Амуре АЛО, создан комплексно-механизированный участок серийного изготовления деталей из титановых сплавов штамповкой с применением ЭТВ на заготовку.

Экономический эффект от внедрения разработок составляет 60,0 млн. рублей при изготовлении одного самолета СУ27 (в ценах 1997 г.).

Апробация работы заключается в том, что основные разделы и результаты работы доложены и обсуждены на конференциях, семинарах, выставках, симпозиумах в том числе и зарубежных, в городах Москве, Владивостоке, Воронеже, Комсомольске-на-Амуре, Брюсселе, Шэньяне (КНР), Дубай (Арабские Эмираты) с 1989 года по настоящее время.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 164 стр. основного текста, 91 рисунок, 12 таблиц.

Во всех работах, касающихся изготовления деталей из листовых заготовок, автор самостоятельно проводил теоретические и экспериментальные исследования, 12 работ написаны без соавторов.

В первой главе анализируется состояние проблемы применения штамповки в штампах с использованием электровоздействия на.заготовку в технологии изготовления листовых деталей ЛА. Анализ номенклатуры листовых деталей, из трудоемкости и себестоимости показывает, что остается актуальной проблема разработки и освоения эффективных технологических процессов штамповки, направленных на снижение объема ручных работ, затрат и сроков подготовки производства при штамповке деталей высокого качества из труднодеформируемых металлов. Этому во многом отвечает штамповка листовых деталей в ШПЭЗ при условии оптимизации основных параметров.

т-ч 1_> с

В опытном и мелкосерийном производстве листовых деталей с габаритами до 1800x800x3,0 мм из труднодеформируемых, в т.ч. титановых сплавов, наиболее рациональной является штамповка с применением ЭТВ

на заготовку, обладающая сравнительной простотой управления, возможностью нагрева заготовки в рабочей зоне, положительным влиянием на физико-механические свойства и структуру ¿металла, сравнительно низкой себестоимостью изготовления деталей при высоких показателях качества и производительности, возможностью механизации и автоматизации.

Проведенный анализ конструкции деталей ЛА из титановых сплавов (рис. 2) и методов их изготовления позволил составить классификатор типовых деталей, переводимых на штамповку с электровоздействием.

Данные процессы достаточно полно описываются уравнениями механики деформируемого твердого тела. Основы механики деформируемого твердого тела и деформационной теории пластичности изложены в трудах Алексеева Ю.Н., Антоненкова О.Д., Богоявленского К.Н., П. Бриджмена, Д. Вуда, В. Голдсмита, Губкина С.И., Ивлева Д.Д., Ильюшина A.A., Исаченкова Е.И., Д. Кларка, Мясникова В.П., Попова Е.А., Ра-ботнова, Унксова Е.М.

Теоретическим и практическим исследованиям процессов формообразования листовых заготовок, в т.ч. с нагревом, посвящены работы Алексеева Ю.Н., Горбунова М.Н., Ершова В.И., Попова О.В., Сотникова B.C. и других специалистов в области обработки металлов давлением и технологии производства летательных аппаратов. Несмотря на теоретическую и практическую значимость указанных работ, решение проблемы штамповки при сложной схеме деформирования, в т.ч. с нагревом заготовки, далеко до завершения. Анализ указанных работ позволил сделать вывод о необходимости дальнейших исследований напряженно-деформированного состояния, возникающего при изготовлении деталей сложной пространственной формы. В опубликованных работах отсутствуют также методики по расчету энергетических параметров при электровоздействии на заготовку.

На основе конструктивно-технологического анализа делаются выводы о необходимости решения теоретических и экспериментальных задач для производства гидрогазовых систем JIA.

Во второй главе на основе численного бескоординатного метода решения уравнений пластического течения предложенного В.И. Одиноко-вым строится математическая модель процесса отбортовки.

Выбранный численный метод позволяет более глубоко проводить теоретические исследования процесса отбортовки, определять поля напряжений, деформаций, температур и формообразования профилей с уче-

Класс

i

II

III

IV

VI

VII

VIII

IX

X

Вид операции

Сборка, сварка, пайка

Формовка

Правка

Протяжка-формовка

Объемнопластичные

Обтяжка

Штамповка

Чеканка

Клепка

Типы деталей

Форма деталей

Сварные соед�