автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка процессов и определение параметров штамповки осесимметричных элементов особотонкостенного трубопровода

На правах рукописи

ТАНСКИЙ Владимир Алексеевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШТАМПОВКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОСОБОТОНКОСТЕННОГО ТРУБОПРОВОДА

Специальность: 05.03.05 - Технологии и машины

обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2009

003463295

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежская, государственная технологическая академия»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Егоров Владислав Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Одинг Сергей Сергеевич;

кандидат технических наук Токарев Александр Васильевич

Ведущая организация ОАО «Авиационный комплекс

им. C.B. Ильюшина», г. Москва

Защита состоится 18 марта 2009 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г.Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан « /^г?> февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кириллов О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (JIA). Усложнение конструкции, увеличение полетной массы, грузоподъемности, связанные с этим рост рабочих давлений в магистралях и увеличение их протяженности приводят к ужесточению 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 30000 часов или примерно 170000 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 и задачи исследования. Разработка и научное обоснование способов формообразования осесимметричных элементов трубопровода JIA 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 матрицах;

получить расчетные зависимости для определения силовых параметров процесса формообразования;

построить номограммы для определения силовых параметров (внутреннего давления наполнителя, относительного напряжения и усилия осевой осадки) процесса формовки сильфонов, облегченных фланцев и переходников;

создать способы и оборудование для бездефектного формообразования осесимметричных элементов трубопроводных систем эластичными средами из особотонкостенных трубных заготовок;

провести 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 изгиба;

сформулированы научно обоснованные рекомендации для выбора энергосиловых параметров процессов формообразования сильфонов, облегченных фланцев и переходников;

предложен комплексный подход к проектированию технологических процессов формообразования особотонкостенных осесимметричных элементов трубопроводных систем из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей; разработанные процессы представляют собой единую технологическую схему производства элементов трубопровода посредством получения трубной заготовки и штамповки эластичными средами;

представлены 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена актуальность и практическая значимость работы, сформулированы цели и задачи, подлежащие решению в ходе работы, описаны методы исследований и решения поставленных задач. Кроме того во введении приведен объем обсуждения работы и описание практического использования полученных в ходе выполнения работы результатов в промышленности.

В первой главе приведен обзор существующих способов получения осесимметричных элементов трубопроводных систем, применяющихся на как на российских, так и на зарубежных предприятиях.

Отмечается, что большинство описанных способов наряду с достоинствами имеют ряд существенных недостатков, которые значительно затрудняют формообразование высококачественных (с минимальной разнотолщинностью стенок, без гофров и разрывов) деталей, а в некоторых случаях (при штамповке из малопластичных титановых сплавов) их применение невозможно.

Указано, что наиболее предпочтительным способом для штамповки особотонкостенных осесимметричных деталей трубопроводов типа «переходник», «облегченный фланец» и

«сильфон» является раздача трубных заготовок внутренним давлением эластичного наполнителя со свободным перемещением конца заготовки при формовке из пластичных материалов (12Х18Н10Т, ВТ1-0) и с одновременной осевой осадкой при формовке из малопластичных сплавов (ПТ-7М).

На основе проведенного анализа сформулированы технологические и экспериментальные задачи для решения в ходе выполнения работы.

Во второй главе произведен обзор существующих теоретических методик расчета энергосиловых параметров процесса формообразования осесимметричных элементов трубопроводных систем в разъемных матрицах раздачей внутренним давлением наполнителя. Точное определение силовых параметров, необходимое для бездефектного формообразования, дает возможность разработать технологический процесс, позволяющий получить качественные готовые детали.

Основными силовыми параметрами процесса штамповки осесимметричных деталей из трубных заготовок является внутреннее давление наполнителя в начальный момент ее раздачи и усилие осевого сжатия наряду с внутренним давлением наполнителя во время второй стадии процесса штамповки. Причем принципиально важным является соблюдение соотношения между внутренним давлением и усилием осевого сжатия в начальный момент второй стадии.

Большинство теоретических работ содержит решения по определению параметров деформирования, основанные на совместном решении уравнений равновесия с условием пластичности, а также удовлетворении уравнениям теории течения, связывающих между собой напряжения и деформации. Ряд работ посвящен конечно-элементному анализу формообразования осесимметричных деталей из труб. Результаты этих исследований сводятся к установлению распределения деформаций и утонений вдоль оси трубной заготовки, определению наиболее нагруженных областей формуемой детали, к выдаче рекомендаций по повышению предельных возможностей формоизменения. Величина основных энергосиловых параметров и соотношение между ними не рассматривались.

В данной работе для решения задачи пластического течения осесимметричной тонкостенной трубной заготовки при ее раздаче применялся метод верхней оценки, основанный на рассмотрении

кинематики пластического формоизменения и позволяющий определить силовые параметры процесса.

Для использования данного метода необходимо определить кинематически возможное поле скоростей, удовлетворяющее условиям несжимаемости. Расчетная схема процесса представлена на рисунке.

Расчетная схема процесса раздачи трубной заготовки. 1 - контейнер, 2 - трубная заготовка, 3 - пуансон осевого сжатия наполнителя, 4 - наполнитель. I - толщина стенки трубной заготовки, гт - радиус срединной поверхности заготовки, Ь - высота кольцевой полости контейнера.

При моделировании использовалась цилиндрическая система координат г, г, в, принималось, что окружная компонента вектора скорости частиц заготовки равна нулю, т.к. деталь является осесимметричной. Также было сделано допущение, что при раздаче имеет место суперпозиция сдвига и изгиба, а также справедлива гипотеза прямых нормалей (Кирхгофа - Лява). Для моделирования кинематики было получено следующее поле скоростей:

к =а--{гт - г)/(г); гт

1 ,, - Н2(1 2 1 Л 3 Пг», .

^ = Г + [з 2 Гт 6 Г/" г У

где а - параметр, характеризующий величину поворота нормалей к срединной поверхности заготовки вследствие изгиба.

В третьей главе на основе уравнения баланса мощностей определяются энергосиловые параметры процесса формообразования.

^ = ^пл >

где Ич - мощность внутреннего давления

И„л - мощность пластической деформации заготовки. В начальный момент первой стадии формообразования мощность пластической деформации Ыт

Ы„ = \кШУ = ку2(12г+г2г+ф+у?гс1Г,

V V

где Я - интенсивность скоростей деформаций сдвига; V- объем пластической области; в„ е2, е2 - компоненты тензора скоростей деформаций.

, т - , 1+-

Ып = к 11 \Н(х,у)хгт ■ гтск■ Му ■ й(р = 2тЖгтЫ1И '

2

где

■Л=П

0.-1

212\{а{\-х)<р"(у)}2-

Уу)+аьх2Лх+\\)х

I, —_- безразмерная высота средней части заготовки;

Т - — - безразмерная высота средней части заготовки.

Г,п

Мощность внутреннего давления наполнителя будет равна

= \дУг(1А,

где А - площадь внутренней поверхности заготовки в средней части высотой Л;

- радиальная компонента скорости частиц внутренней поверхности заготовки.

7 1

= 2щЬ ./2 , где J2 = \(р(у)(1у о

Приравнивая эти два выражения, получим зависимость для определения относительного давления наполнителя:

1с X • «/2 2 ^

В начальный момент второй стадии процесса формообразования, с учетом допущения о том, что заготовка деформируется только в пределах неподкрепленной зоны высотой А, выражения для поля скоростей имеют вид:

у7=-Ь2+а'?3{гт-г)Г(2); п

Vг =

' 2Л

ув = о.

гт ( г1\ Г-+-г

где параметр Ъ характеризует долю кинематики сжатия в общем поле скоростей.

Уравнение баланса мощностей преобразуется к виду:

где Ыр - мощность усилия осадки Р.

В итоге получим зависимость для определения относительного напряжения осевого сжатия

к Ах -к а-Т

Для уменьшения радиальной деформации (утонения) заготовки, и тем самым, повышения предельных возможностей процесса формовки, значение параметра а определим из условия минимума скорости изменения толщины стенки заготовки Vм в

вершине гофра, т.е.

2

= \егйг = гт • /?4 |ггг/с& = 0,

■ Т

где V&1 - скорость изменения толщины заготовки в вершине

гофра (при 2 = 0,5Л). Таким образом,

/ 21}

х

I / "(0,5) 3 2 6 х2 1 '

с1х

1 +

1 +

<1х

Величина усилия осевого сжатия на начальном этапе второй стадии процесса штамповки будет равна

ил тр 5

где ^ =о"-4 =2я"-г-/-ет - сила, затрачиваемая на пластическое сжатие заготовки;

- сила трения между подкрепленными частями заготовки и стенкой контейнера.

Окончательно с учетом полученных относительного давления наполнителя и напряжения осевой осадки получим

ранее значении относительного

Р = л-к-гп

+ -И)1 к к

Аналогичная зависимость для усилия осевого сжатия трубной заготовки при групповом формообразовании п гофров (например, сильфона) имеет вид:

к ИУ ;к

По результатам расчетов построены номограммы для определения относительного внутреннего давления наполнителя при раздаче переходников, облегченных фланцев, сильфонов, а также относительного напряжения осевого сжатия при их формовке.

В четвертой главе разработан технологический процесс получения особотонкостенных трубных заготовок из нержавеющих сталей и титановых сплавов, описана конструкция штамповой

оснастки, применявшейся для опытной штамповки осесимметричных элементов трубопровода, сформулированы требования к наполнителям и смазкам, приведены результаты экспериментальной формовки сильфонов, полуфабрикатов переходников и облегченных фланцев, а также произведено их численное сравнение со значениями, полученными в ходе теоретических расчетов.

В ходе экспериментальной формовки было выполнено следующее. Трубные заготовки изготавливались с применением ротационной вытяжки шариками по жёсткой оправке, которая производилась на установке на базе токарного станка 16К20, где в качестве рабочего инструмента используются шарики диаметрами 8 и 10 мм (ГОСТ 3722-81), собранные в обойму. Это позволило получить заготовки с высокой точностью по диаметру и толщине стенки.

Штамповка гофров сильфонов производилась с применением эластичных сред на универсальном гидравлическом прессе ДБ2432А, были реализованы следующие схемы процесса формообразования:

1) Штамповка предварительных гофров сильфонов раздачей последовательным способом со свободным перемещением стенок трубной заготовки в зону деформирования и последующая групповая осадка предварительных гофров заготовки с применением давления эластичного наполнителя. Способ применялся для материалов с высокой пластичностью (сталь 12Х18Н10Т).

2) Штамповка предварительных гофров сильфонов раздачей последовательным способом со свободным перемещением стенок трубной заготовки в зону деформирования и на втором этапе — последовательная осадка предварительных гофров заготовки с применением давления эластичного наполнителя. Способ применялся для титанового сплава ВТ 1-0.

3) Штамповка предварительных гофров сильфонов со специальной геометрией раздачей последовательным способом гофров и последующая осадка на специальной оправке до получения гофрами омегообразной формы осуществлялась при штамповке сильфонов из титановых сплавов с ограниченной пластичностью (ПТ-7М). На способ формообразования получен патент.

Для реализации описанных схем была разработана штамповая оснастка, в том числе штамп со специальной геометрией матрицы для формовки предварительных гофров при штамповке сильфонов из малопластичного титанового сплава ПТ-7М. На конструкцию

штампа подана заявка на изобретение и получено решение о выдаче патента. Также были разработаны штампы для формовки облегченных фланцев и полуфабрикатов переходников.

В ходе отработки процесса штамповки было получено, что расчетные значения энергосиловых параметров превышают экспериментальные. Расхождение составило для сильфонов от 1,86% до 17,91% по величине давления наполнителя и от 7,81% до 16,96% по величине усилия осевого сжатия. Для переходников были получены отклонения от 0,56% до 18,88% по величине давления наполнителя и от 3,5% до 11,17% по величине усилия осевого сжатия. Для облегченных фланцев расчетные значения превышали экспериментальные на величину от 1,75% до 18,15% по величине давление наполнителя и от 8,36% до 12,87% по усилию осевого сжатия.

В пятой главе разработан технологический процесс формовки осесимметричных элементов трубопровода (сильфонов, переходников и облегченных фланцев) из трубных заготовок, сформулированы требования к заготовкам, создана установка для формовки осесимметричных деталей из труб. Разработанная установка для штамповки деталей типа сильфонов, стаканов, переходников и других осесимметричных деталей из труб эластичной средой в жесткой разъемной или цельной матрице может использоваться для выполнения следующих операций:

-последовательное формообразование гофров сильфонов с размыканием или без размыкания матрицы для подачи на шаг;

-последовательное формообразование предварительных гофров сильфонов из труднодеформируемых сплавов; -формообразование переходников; -групповое формообразование гофров; Экономический эффект от внедрения установки составил 3817,711 тыс. р. по сравнению с базовым оборудованием.

Произведенные металлографические исследования отштампованных деталей показали однородность структуры в зонах сварного шва и основного материала в деформированной и недеформированной зонах и, как следствие, равнопрочность отштампованных изделий.

В ходе циклических испытаний отштампованных сильфонов было выявлено, что изделия имеют удовлетворительную циклическую долговечность, которая составила от 23130 до 142657

циклов нагружения для сильфонов из сплава ВТ1-0 и от 90956 до 190000 циклов для сильфонов из стали 12Х18Н10Т.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе разработаны и научно обоснованы новые способы формообразования осесимметричных элементов трубопровода JIA из особотонкостенных трубных заготовок, теоретически и экспериментально исследованы процессы их штамповки из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей. Созданы технологические процессы и оборудование для их осуществления, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, заключающийся в промышленном получении высокоресурсных трубопроводных систем с минимальным полетным весом.

В диссертационной работе выполнено следующее:

1. С использованием теоремы о верхней оценке разработана математическая модель процесса формообразования осесимметричных деталей из трубных заготовок. На ее основе выполнены теоретический анализ и экспериментальные исследования процессов формообразования переходников, сильфонов и облегченных фланцев.

2. Создана расчетная методика для определения внутреннего давления наполнителя и усилия осевого сжатия в зависимости от геометрических параметров трубных заготовок и штампуемых изделий, механических характеристик применяемых сплавов, условий контактного трения. Расхождение результатов теоретического анализа с экспериментальными данными при проверке разработанной математической модели составило от 0,56 до 18,88%.

3. Разработаны технологические процессы и штамповая оснастка для их осуществления, применение которых повышает качество штампуемых изделий и обеспечивает бездефектное формообразование элементов трубопровода из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей со следующими характеристиками:

относительный диаметр Dit < 200

условный проход, мм от 63 до 120

коэффициент разнопроходности до 0,7

величина прямых участков под последующую сварку кольцевых стыков, мм не менее 10

4. Созданы методики проектирования технологических процессов получения особотонкостенных осесимметричных элементов трубопроводных систем посредством свертки цилиндрической оболочки, аргонно-дуговой сварки продольного шва, ротационной вытяжки, штамповки эластичными средами.

5. Создана специализированная установка для формообразования деталей из труб, конструкция которого предусматривает реализацию разработанных способов формообразования элементов особотонкостенного трубопровода.

6. Проведенный комплекс металлографических исследований структуры отштампованных особотонкостенных элементов трубопроводных систем показал, что трубные заготовки, полученные по разработанной технологии, имеют равномерную микроструктуру и являются равнопрочными. Переходники и сильфоны, отформованные из раскатных трубных заготовок, структурно однородны, дефектов и нарушений сплошности материала не выявлено.

7. Проведенные сравнительные ресурсные испытания показали, что применение особотонкостенных сильфонов, полученных из раскатных трубных заготовок, позволяет в сочетании с автоматической сваркой кольцевых стыков при сборке повысить циклическую долговечность трубопровода по сравнению с существующим вариантом, приблизив его ресурс к долговечности планера ЛА.

8. Результаты работы в виде технологических инструкций и технологических процессов формообразования элементов трубопровода ЛА внедрены на АК им. 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).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Давыдов О.Ю. Определение энергосиловых параметров штамповки осесимметричных деталей из особотонкостенных труб /

О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. №2. С.37-41

2. Штамповка сильфонов из особотонкостенных труб / В.Г. Егоров, О.Ю. Давыдов, М.Ю. Танеев, В.А. Танский // Авиационная промышленность. 2007. №2. С. 32-37

Статьи и материалы конференций

3. Давыдов О.Ю. Анализ кинематики пластического течения при раздаче трубной заготовки в разъемной матрице / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Материалы и технологии XXI века : сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2006. С.115-118.

4. Давыдов О.Ю. Анализ энергосиловых параметров процесса раздачи трубной заготовки в разъемной матрице / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Известия Тульского государственного университета. Сер. Механика деформируемого твердого тела.-Тула : Изд. ТулГу, 2006. Вып.2. С.179-182.

5. Егоров В.Г. Способ формообразования полых деталей / В.Г. Егоров, П.Д. Чудаков, В.А. Танский // V Международный аэрокосмический конгресс IAC06 : тез. докл. - М., 2006. С.435

6. Танский В.А. Формообразование полых деталей с увеличенной длиной основной трубы / В.А. Танский // Авиация и космонавтика-2006 : V Междунар. конф. - М., 2006. С.242

7. Давыдов О.Ю. Определение усилия осевого сжатия при штамповке осесимметричных деталей из трубных заготовок / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Механика и процессы управления : труды XXXVI Уральского семинара. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. Т.1. С. 212-217.

8. Танский В.А. Анализ процесса формообразования осесимметричных элементов трубопроводов в разъемных матрицах / В.А. Танский // Авиакосмические технологии «АКТ-2006» : труды VII Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2006. С. 339-344.

9. Давыдов О.Ю. Способ формообразования сильфонов и штамп для его осуществления / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Авиакосмические технологии «АКТ-2007» : труды VIII Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2007. С. 195-199.

10. Давыдов О.Ю. Повышение предельных возможностей формообразования осесимметричных трубчатых изделий в

разъемных матрицах / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Современные проблемы механики и прикладной математики : сб. тр. Междунар. школы-семинара. - Воронеж: Научная книга, 2007. С.96-99

11. Давыдов О.Ю. Результаты сравнительных циклических испытаний сильфонов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ1-0 / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева. - Самара, 2006. С.52-55

Патенты на изобретение

12. Пат. 1Ш 2314889 С1, МПК7 В2Ш22/10, В21С37/16. Способ штамповки осесимметричных деталей из трубных заготовок / О.Ю. Давыдов (1Ш), В.Г. Егоров (1Ш), В.В. Голуб (1Ш), В.А. Танский (Щ) - 2006109643/02; заявл. 27.03.06 ; опубл. 21.01.08-Бюл. №2-5с.

13. Пат. Ки 2343033 С2, МПК7 В2Ш15/06, В2Ю51/12. Способ формообразования особотонкостенных многослойных сильфонов / В.Г. Егоров (1Ш), Н.Д. Захарченко (1Ш), В.А. Танский (1Ш) - 2006147218/02; заявл. 28.12.06 ; опубл. 10.07.2008 - Бюл. №1 - 7с.

Заявки на выдачу патента

14. Заявка №2007129190/02(031791), МПК7 В2Ш15/06, В2Ш51/12. Штамп для формообразования сильфонов / В.Г. Егоров, Н.Д. Захарченко, В.А. Танский - заявл. 30.07.2007.- Решение о выдаче патента РФ от 15.10.08.

Подписано в печать 17.02.2009. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Зак. № ■

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Введение

1. Обзор способов формообразования осесимметричных деталей.

1.1 Анализ существующих способов формообразования переходников

1.2 Анализ способов формообразования сильфонов и облегченных фланцев

Выводы

2. Разработка метода теоретического анализа формообразования осесимметричных элементов из трубных заготовок.

2.1 Обзор теоретических работ в данной области

2.2 Моделирование кинематики пластического течения трубной заготовки при ее раздаче и осадке

Выводы

3. Определение энергосиловых параметров формообразования осесимметричных элементов трубопроводов.

3.1 Определение внутреннего давления наполнителя при раздаче трубной заготовки

3.2 Определение относительного напряжения осевого сжатия

3.3 Определение усилия осевого сжатия

3.4 Построение номограмм энергосиловых параметров формообразования переходников, облегченных фланцев и сильфонов

Выводы

4. Экспериментальная отработка процессов формообразования осесимметричных элементов трубопроводов.

4.1 Получение особо- и сверхтонкостенных трубных заготовок

4.2 Описание применяемой штамповой оснастки

4.2.1 Штамповал оснастка для формообразования сильфонов

4.2.2 Штамповая оснастка для формовки гофров облегченных фланцев и переходников

4.3 Требования к наполнителям

4.4 Требования к смазке

4.5 Численное сравнение теории с экспериментом

Выводы

5. Разработка технологических процессов и оборудования для формообразования осесимметричных элементов из трубных заготовок.

5.1 Разработка технологических процессов формообразования сильфонов, облегченных фланцев и переходников

5.2 Создание установки для штамповки осесимметричных деталей из труб

5.3 Контроль качества отштампованных деталей.

5.3.1 Металлографические исследования отштампованных сильфонов и переходников

5.3.2 Результаты сравнительных циклических испытаний сильфонов

5.4 Технико-экономическое обоснование

Выводы

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 30000 часов или примерно 170000 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 матрицах; получить расчетные зависимости для определения силовых параметров процесса формообразования; построить номограммы для определения силовых параметров (внутреннего давления наполнителя, относительного напряжения и усилия осевой осадки) процесса формовки сильфонов, облегченных фланцев и переходников; создать способы и оборудование для бездефектного формообразования осесимметричных элементов трубопроводных систем эластичными средами из особотонкостенных трубных заготовок; провести 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 изгиба; сформулированы научно обоснованные рекомендации для выбора энергосиловых параметров процессов формообразования сильфонов, облегченных фланцев и переходников; предложен комплексный подход к проектированию технологических процессов формообразования особотонкостенных осесимметричных элементов трубопроводных систем из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей; разработанные процессы представляют собой единую технологическую схему производства элементов трубопровода посредством получения трубной заготовки и штамповки эластичными средами; представлены 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).

1. Горбунов, М.Н. Основы технологии производства самолетов / М.Н. Горбунов М.: Машиностроение, 1976. - 260 с.

2. Давыдов, О.Ю. Штамповка неравнопроходных тройников из трубных заготовок в разъемных матрицах / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, Ю.А. Невструев // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. №6. С.40-44.

3. Исаченков, Е.И. Развитие технологии штамповки эластичными, жидкостными и газовыми средами / Е.И. Исаченков // Кузн.-штамп. пр-во. 1976. №7. С.2-5

4. Пат. 2190493 Российская Федерация, B21D 51/10, В23К 28/02. Способ изготовления тонкостенных осесимметричных сосудов / В.Г. Егоров,B.В. Голуб, Ю.А. Невструев 2000130643/02 ; заявл.06.12.2000 ; опубл. 10.10.2002, Бюл. № 28. - 1с. : ил.

5. Давыдов, О.Ю. Ротационная вытяжка прямолинейных тонкостенных патрубков / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, И.Н. Шабунин // Тезисы докладов и сообщений 32ой науч. конф. Воронежского технологического института — Воронеж: ВТИ, 1993. т.З С. 17.

6. Иванов, C.B. Влияние технологических факторов на концентрацию напряжений и долговечность сварных трубопроводов из сплавов титана /C.B. Иванов, Ф.Р. Куликов, Ю.В. Васькин // Авиационная пром-сть. Прил. к журн. 1983. №З.С.З8-43.

7. A.c. 1063511 СССР, МПК7В21D41/02. Устройство для раздачи трубчатых заготовок Текст. / A.C. Чумадин, A.C. Ершов, В.И. Глазков (СССР). -3522807 ; заявл. 14.12.82 ; опубл. 30.12.83, Бюл. № 48 3 с. : ил.

8. Пат. США 6912884, МКИ B21D26/02; B21D26/00; B21D26/02; B21D39/08. Hydroforming process and apparatus for the same / Gharib, Mohamed T. (5 Hawthorne Lane, Brantford, CA). 10/173818 ; заявл. 06.19.2002 ; опубл. 07.05.2005 - 25 с. : ил.

9. Горбунов, М.Н. Штамповка деталей из трубчатых заготовок / М.Н. Горбунов-М.: МАШГИЗ, 1960. 189 с.

10. Исаченков, Е.И. Штамповка резиной и жидкостью / Е.И. Исаченков М.: МАШГИЗ, 1962.-327 с.

11. Пат. 2250808 Российская Федерация, В 21 D 15/10, 26/02. Устройство для изготовления сильфонов / Ю.П. Катаев, О.Г. Захаров 2002111471/02 ; заявл. 20.12.03 ; опубл. 27.04.2005, Бюлл. №12 - 6 с. : ил.

12. Пат. 2229356 Российская Федерация, МПК7 B21D15/10, B21D51/12. Устройство для формования сильфона / Д.А. Ширяев, В.П. Кругликов, Н.П. Глухов, И.В. Космач 2002110066/02 ; заявл. 20.02.2004 ; опубл. 27.05.2004 -2 с. : ил.

13. Лукьянов, В.П. Штамповка деталей трубопроводов гидростатическим давлением / В.П. Лукьянов, В.П. Шатеев, В.В. Клочков, Л.В. Обрушников // Хим. и нефт. машиностроение. 1976. №2

14. A.c. 1166861А СССР, МПК7 B21D22/10. Штамп для формовки трубчатых заготовок / Н.М. Макаров, Н.Д. Захарченко (СССР) 3664039; заявл. 23.01.1983 ; опубл. 15. 07. 1985 -2 с. : ил.

15. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн М.: Наука, 1984. - 831с.

16. Пат. 2131787 Российская Федерация, B21D 51/10, 22/16. Способ изготовления тонкостенных осесимметричных сосудов / В.В. Голуб, В.Г. Егоров, Ю.А. Невструев, Н.Д. Захарченко 98101997/02; заявл. 04.02.98 ; опубл. 20.06.99, Бюл. №17 - 3 с.: ил.

17. Трение и смазки при обработке металлов давлением: справочник / авт.-сост. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. М.: Металлургия, 1982 -312 с.

18. Егоров, В.Г. Штамповка сильфонов из особотонкостенных труб / В.Г.Егоров, О.Ю. Давыдов, М.Ю. Танеев, В.А. Танский // Авиационная промышленность. 2007. №2. С. 32-38

19. Ершов, В.И. Совершенствование формоизменяющих операций листовой штамповки / В.И. Ершов, В.И. Глазков, М.Ф. Каширин — М.: Машиностроение, 1990 312 с.

20. Farouk М F Badran. Axially uniform tube building / Farouk M F Badran, Karam M Emara // Sheet metal industries. November. 1978.

21. Banerjee, J.K. Limiting deformation in bulge forming of thin cylinders of fixed length / J.K. Banerjee // int. J. mech. Sci. Pregamob Press. 1975. vol. 17. P. 650662

22. Woo, D. Tube building under internal pressure and axial force / D. Woo // Journal of engineering materials and technology. 1973. №10. P. 219-223

23. Woo, D. Plastic deformation of anisotropic tubes in hydraulic building / D. Woo, A. Lua // Journal of engineering materials and technology. 1973. №10. P. 421-425

24. Song, W.J. Investigation on preformed shape design to improve formability in tube hydroforming process using FEM / W.J. Song, S.C. Heo, J. Kim, B.S. Kang // Journal of engineering materials and technology. 1973. №10. P. 341-348

25. Егоров, В.Г. Анализ процессов штамповки осесимметричных деталей из особотонкостенных труб / В.Г. Егоров, П.Д. Чудаков, JI.B. Балбекова // Куз-нечно-штамповое производство. 1996. №6. С.27-29

26. Инструкция по определению экономической эффективности новой куз-нечнопрессовой техники Воронеж: ЭНИКМАШ, 1979. - 131 с.

27. Комаров, А.Д. Штамповка трубчатых заготовок эластичной средой /A.Д. Комаров, К.Т. Мачулина, О.М. Ситкин // Вопросы технологии производства летательных аппаратов / Труды КуАИ ; вып. 64 Куйбышев, 1975. С. 30-38.

28. Исаченков, Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением / Е.И. Исаченков М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

29. Girard, A.C. Numerical simulation of axysymmetric tube buiging using a urethane rod / A.C. Girard, Y.J. Grenier, B.J. Mas Donald // J. Mater Process Techologies. 2006. 172. №3. C. 346-355.

30. Islam, M.D. Feasibility of multi-layered tubular components forming by hydroforming and finite element simulation / M.D. Islam, A.G. Olabi, M.S. Hashmi // J. Mater Process Techologies. 2006. 174. №1. C. 394-398.

31. Богоявленский, K.H. Гидропластическая обработка металлов / K.H. Богоявленский, А.Г. Рябинин JL: Машиностроение, 1988. - 256 с.

32. Лукьянов, В.П. Штамповка деталей трубопроводов гидростатическим давлением / В.П. Лукьянов, В.П. Шатеев, В.В. Клочков, Л.В. Обрушников // Хим. и нефт. машиностроение. 1976. № 2. С.29-30.

33. Нормы летной годности гражданских самолетов СССР (НЛГС-2). Межведомственная комиссия по нормам летной годности гражданских самолетов и вертолетов СССР. 1974. 107 с.

34. Богоявленский, К.Н. Штамповка деталей эластичными средами и жидкостью из трубных заготовок / К.Н. Богоявленский, Е.И. Серяков //Технологические процессы в машиностроении Л., 1976. С.95-100. - (Труды Ленинград, инж.- эк. ин-та. Вып. 119)

35. Забегалин, В.Н. Определение давления при формообразовании деталей из труб /В.Н. Забегалин // Кузн.-штамп. пр-во. 1994. № 3. С.12-13.

36. Хилл, Р. Математическая теория пластичности / Р. Хилл М.: ГИДТТЛ, 1956.-407 с.

37. Давыдов, О.Ю. Определение энергосиловых параметров штамповки осесимметричных деталей из особотонкостенных труб / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. №2. С.32-38

38. Пат. 2131787 Российская Федерация, B21D 51/10, 22/16. Способ изготовления тонкостенных осесимметричных сосудов / В.В. Голуб, В.Г. Егоров, Ю.А. Невструев, Н.Д. Захарченко 98101997/02 ; заявл. 04.02.98 ; опубл. 20.06.99, Бюл. № 17. - 2с. : ил.

39. Грудев, А.П. Трение и смазка при обработке металлов давлением : справочник / А.П. Грудев, Ю.В. Зильберг, В.Т. Тилик М.: Металлургия, 1982.-312 с.

40. Егоров, В.Г. Способ формообразования полых деталей / В.Г. Егоров, П.Д. Чудаков, В.А. Танский // Пятый международный аэрокосмический конгресс 1АС06 : тезисы докладов Москва, 2006. С.435

41. Танский, В.А. Формообразование полых деталей с увеличенной длиной основной трубы / В.А. Танский. // 5-я Международная конференция «Авиация и космонавтика 2006» : тезисы докладов - Москва, 2006. С.242

42. Абковиц, С. Титан в промышленности / С. Абковиц, Дж. Бурке, Р. Хильц -М: ОБОРОНГИЗ, 1957.

43. Способы металлографического травления : справочник / М. Беккерт, X. Клемм ; пер. с нем. Н. И. Туркиной, Е. Я. Капуткина ; под ред. И.Н. Фридляндера-М.: Металлургия, 1988.