автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка технологического процесса производства длинномерных профилей из волокнистого композиционного материала АД1-бор

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ ПРОФИЛЕЙ ИЗ ВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА АД1-БОР

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Галкин Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лукашкин Николай Дмитриевич

кандидат технических наук

Соломоник Яков Львович

Ведущая организация: ОАО «НИИ Стали»

Защита диссертации состоится 16 июня 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.110.05 в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д.З, ауд. 523А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» -Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Автореферат диссертации разослан « мая 2005 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

Палтиевич А. Р.

¿006 - V

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Прогресс в авиационной и космической промышленности неразрывно связан с поиском и разработкой новых технологических решений, позволяющих уменьшить массу летательных аппаратов, повышая при этом отдачу по полезной нагрузке. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эту задачу, является разработка новых эффективных технологических процессов с использованием в качестве материалов для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники композиционных материалов на металлической основе.

Среди существующих в настоящее время композиционных материалов с металлической матрицей особое место занимают волокнисгые композиционные материалы (ВКМ) системы алюминий-бор, обладающие повышенной конструкционной эффективностью: высокими значениями удельной жесткости и прочности при малой плотности в сочетании с улучшенными эксплуатационными характеристиками Кроме того, ВКМ системы алюминий-бор обладают общим для всех композиционных материалов достоинством, заключающимся в возможности регулирования их свойств за счет изменения соотношения входящих в их состав компонентов с различными физическими и механическими свойствами. Снижение массы и повышение жесткости основных узлов летательных аппаратов может быть достигнуто путем замены традиционных материалов на ВКМ системы алюминий-бор.

С точки зрения конструкционной эффективности, применение ВКМ наиболее целесообразно для изготовления из них различных элементов жесткости (профилей, труб и др.), испытывающих максимальную нагр\зку в направлении армирования. Существующие в настоящее время способы производства профилей из ВКМ рассчитаны на получение изделий ограниченной длины. По этой э длинномерных

I С! ! о»

профилей из ВКМ, применяющихся в крупногабаритных узлах летательных аппаратов, либо вовсе не осуществимо, либо сопряжено с дополнительными техническими трудностями.

Учитывая особенности состава и строения ВКМ, для производства из них пространственных изделий наиболее приемлема операция гибки. При этом гибка с жестко-эластичным радиальным воздействием на заготовку позволяет существенно увеличить допустимую степень формоизменения листового ВКМ за счет создания дополнительного гидростатического давления в очаге деформации Получение длинномерных профилей из ВКМ по предлагаемой в настоящей работе схеме заключается в объединении процессов гибки с жестко-эластичным радиальным подпором и прокатки в одном технологическом процессе.

Для получения качественных изделий по предлагаемой схеме актуальной задачей является исследование процесса гибки ВКМ системы алюминий-бор с жестко-эластичным радиальным подпором математическими и экспериментальными методами с целью определения численных значений тангенциальных напряжений и деформаций, возникающих при гибке листового ВКМ и определяющих допустимую степень его формоизменения, и разработка на его основе нового технологического процесса получения длинномерных профилей из ВКМ.

Цель работы заключается в исследовании процесса гибки листового ВКМ системы алюминий-бор с жестко-эластичным радиальным подпором и разработке научно обоснованного технологического процесса производства длинномерных профилей из волокнистого композиционного материала АД1-бор методом гибки-прокатки.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач

- разработка принципиальной схемы технологического процесса,

- математическое моделирование процесса гибки профилей из ВКМ;

, • • - ' «...♦«

- совершенствование критериальной системы путем формулировки нового критерия, учитывающего особенности процесса гибки-прокатки,

- проектирование и изготовление экспериментальной установки;

- проведение экспериментальной оценки параметров технологического процесса и получение опытных изделий методом гибки-прокатки;

- разработка технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Определены численные значения тангенциальных напряжений и деформаций, действующих в зоне растяжения заготовки из ВКМ при гибке с жестко-эластичным радиальным подпором. Определены численные значения радиальных напряжений, действующих на заготовку со стороны жестко-эластичного подпора

2 Установлены следующие функциональные зависимости- минимально допустимый относительный радиус изгиба в

зависимости от шага укладки волокон (объемной доли армирующих волокон), а также при свободном изгибе листовой заготовки из ВКМ;

- требуемая глубина внедрения гибочного инструмента в зависимости от параметров листовой заготовки из ВКМ (толщины и ширины) и параметров технологического процесса гибки (относительного радиуса и угла изгиба);

- напряжение жестко-эластичного радиального подпор а в зависимости от глубины внедрения гибочного инструмента и размеров полиуретановой матрицы.

3. На основании критериальной системы определены минимально допустимые значения относительного радиуса изгиба при гибке заготовок из ВКМ различной конфигурации.

4. Предложена новая схема армирования с дифференцированным шагом укладки волокон и на основании анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) при гибке с дифференцированным шагом укладки волокон

в нижнем армирующем слое доказана ее эффективность для повышения допустимой степени формоизменения листовой заготовки из ВКМ (минимизации относительного радиуса изгиба).

5. Определено влияние жестко-эластичного радиального подпора на НДС заготовки из ВКМ в ходе процесса гибки-прокатки. Предложена методика расчета профиля из ВКМ заданной конфигурации на продольный изгиб и сформулирован дополнительный критерий для процесса гибки-прокатки. обеспечивающий сохранение прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон.

Практическая значимость работы определяется комплексом проведенных исследований, на основании результатов которого разработан технологический процесс производства длинномерных профилей из ВКМ АД1-бор методом гибки-прокатки.

Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для гибки-прокатки профилей из ВКМ Разработаны схема и режимы технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки

На предлагаемый в настоящей работе способ получения армированных профилей из волокнистых композиционных материалов получен патент Российской Федерации на изобретение №2207927 (приоритет от 21 ноября 2001 г.).

Достоверность полученных результатов основана на применении хорошо зарекомендовавших себя методов исследования, а также высокой степени соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Слоистые композиционные материалы», г Волгоград, 2001 г. ХХУШ, XXIX и XXX Международных моподежных конференциях

«Гагаринские чтения», г Москва. 2002-2004 гг.: Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2002 и 2004 гг: конференции «Международная неделя металлов». Москва, 2003. Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва. 2003-2004 гг.; Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством», Москва, 2003-2004 гг

Проведенные исследования процесса гибки листового волокнистого композиционного материала с жестко-эластичным радиальным подпором отмечены двумя дипломами Всероссийского конкурса «Компьютерный инжиниринг» в 2002 и 2004 гг.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 публикациях и патенте РФ.

Объем диссертационной работы. Настоящая диссертационная работа изложена на 167 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, библиографического списка, приложения, 27 таблиц и 74 рисунков.

Краткое содержание работы

Во введении показана необходимость разработки научно обоснованною техноло! ического процесса производства профилей из волокнистых композиционных материалов системы алюминий-бор. позволяющего, в отличие от существующих способов, получать длинномерные изделия.

В первой главе приводится анализ библиографических источников, посвященных изучению свойств ВКМ системы алюминий-бор и перспективам применения данных материалов для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники Рассмотрены существующие способы производства профилей, рассчитанные на производство изделий ограниченной

длины. Наиболее эффективным из существующих признан процесс гибки в штампе с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки, основным достоинством которого является наличие радиального воздействия на очаг деформации, повышающего технологическую пластичность материала матрицы ВКМ. Данный процесс взят за основу при разработке предлагаемой в настоящей работе схемы получения длинномерных профилей из ВКМ. заключающейся в объединении процессов гибки с жестко-эластичным подпором и прокатки в одном технологическом процессе (рис 1)

Рис. 1 Предлагаемая схема получения профилей: 1 - валок, формирующий профиль; 2 - листовая заготовка из ВКМ; 3 - валок с втулкой из эластичного материала, обеспечивающего радиальный подпор заготовки

Реализация предлагаемой схемы базируется на применении системы критериев, разработанных специально для процессов формоизменения ВКМ Изучение НДС при гибке ВКМ с жестко-эластичным подпором предложено провести с использованием математического моделирования, основанного на методе конечных элементов.

Во второй главе приводятся характеристики используемых материалов, а гакже описываются применяемые методики исследования и программные продукты для проведения математического моделирования и проектирования

Третья глава посвящена исследованию процесса гибки ВКМ с жсст ко-эластичным радиальным подпором. Для изучения напряженно-деформированного состояния с целью определения численных значений тангенциальных напряжений и деформаций в листовой заготовке из ВКМ при гибке в настоящей работе применялись математические модели, реализованные методом конечных элементов в программных продуктах ANSYS и DEFORM и основанные на классических уравнениях и соотношениях теории пластичности с учетом реологии компонентов Для моделирования свойств алюминиевой матрицы применялась упруго-пластическая модель с линейным упрочнением Упругие свойства полиуретановой матрицы и борных волокон задавались модулем Юнга и коэффициентом Пуассона.

Гибка листовой заготовки из ВКМ с радиальным подпором представляет собой плосконапряженную задачу. По этой причине для анализа данного процесса есть основания использовать двухмерную математическую и конечно-элементную модель (рис. 2).

гыш

'Hsspgtfumsiimw

........... ....... ...

r r J.iWrt

* ^ r

f Г- P frvi

ft ti S } и

^v » d и i Цм f н м фМ"»

In

• -f- !

.„.- ...............

- '»»'{«»^•.^«»»»•»»WflilljJitM

j «м» a w» 4

_ ij t

¡ei* ? -

* -fr» 1ГП&

Рис. 2. Модель процесса гибки ВКМ с жестко-эластичным подпором, а - общий вид: 1 - гибочный инструмент: 2 - листовая заготовка ич ВКМ; 3 -полиуретановая матрица; 4 - контейнер б - область формирования углового \частка профиля 1 - армирующие волокна. 2 - матрица ВКМ

В применявшейся модели в полной мере учитывается влияние как тангенциальных напряжений в заготовке, так и радиального подпора со стороны полиуретановой матрицы, то есть двух наиболее важных факторов, определяющих исследуемый процесс Представленная модель состоит из недеформируемого гибочного инструмента (пуансона или ролика), перемещающегося вниз на заданное расстояние и осуществляющего гибку листовой заготовки из ВКМ. Полиуретановая матрица находится в недеформируемом контейнере

Наиболее важной областью с точки зрения исследования НДС листовой заготовки из ВКМ при гибке является область формирования углового участка профиля (рис. 26). В ней сосредоточены наибольшие тангенциальные напряжения и деформации, определяющие допустимую степень формоизменения ВКМ С целью получения наиболее объективных результатов, данная область моделировалась предельно точно с учетом всех параметров компонентов ВКМ (как геометрических, так и физических).

Основным технологическим параметром процесса гибки листового ВКМ является относительный радиус изгиба, ветичина которого характеризует допустимую степень формоизменения ВКМ. Получены зависимости максимальных тангенциальных напряжений и деформаций, действующих в зоне растяжения листовой заготовки из ВКМ от относительного радиуса изгиба и шага укладки волокон (рис. 3) На основании максимально допустимых значений тангенциальных напряжений и деформаций, установленных в соответствии с критериальной системой, определены значения минимально допустимых радиусов изгиба, не приводящих к разрушению заготовки. Для заготовок с объемными долями борных волокон 40%, 29% и 23% расчетные значения минимально допустимого радиуса изгиба составили, соответственно, 6,8: 5,7 и 4.2 толщин листовой заготовки

' Ом 120

МПа

-♦— Шаг укладки

волокон - 180 мкм Шаг укладки вотокон - 240 мкм * Шаг укладки волокон - 300 мкм

Рис. 3. Максимальные тангенциальные напряжения и деформации в зоне растяжения заготовки из ВКМ в зависимости от относительного радиуса изгиба и шага укладки волокон

Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными, имеющимися для гибки ВКМ АД 1-бор в штампе с жестко-эластичным радиальным подпором (расхождение в полеченных рез\льтатах не более 7%) Учитывая, что максимальные тангенциальные напряжения и деформации сосредоточены в нижнем армирующем слое листовой заготовки из ВКМ, повышение допустимой степени формоизменения ВКМ может быть достигнуто за счет увеличения длины матричных прослоек между волокнами в нижнем слое. На основании этого предложена новая схема армирования заготовки из ВКМ с дифференцированным шагом укладки в нижнем армирующем слое (рис. 4).

Установлено, что увеличение длины матричной прослойки межд> волокнами в нижнем армирующем слое на 20 мкм приводит к резкому снижению характеристик НДС

(значения максимальных тангенциальных Рис 4 Схема армирования о

напряжений и деформаций уменьшаются в 1.3 дифференцированным шагом

у кладки волокон в нижнем

раза). Данный факт объясняется уменьшением армирующем слое

жесткости и повышением пластичности нижнего армированного слоя заготовки. При большем увеличении шага укладки волокон происходит

изменение картины НДС: максимальные тангенциальные напряжения и деформации переходят во второй армированный слой снизу, для которого характерно более высокое фиксированное значение объемной доли волокон Таким образом, можно говорить об эффективности применения схемы армирования с дифференцированным шагом укладки волокон для управления напряженно-деформированным состоянием заготовки из ВКМ.

Для оценки влияния жестко-эластичного радиального подпора рассмотрена задача, моделирующая свободный изгиб заготовки из ВКМ. Анализ полученных данных показал, что. в соответствии с критериальной системой, свободный изгиб заготовки из ВКМ, толщиной 1 мм, с \т{= 23%. возможен лишь при относительном радиусе изгиба около 15 толщин и более Установлено, что применение радиального подпора позволяет проводить гибку с относительным радтсом, в среднем, в три раза меньшим, чем при свободном изгибе. Значения тангенциальных напряжений и деформаций при использовании радиального подпора уменьшаются приблизительно в аналогичное число раз.

Для более точной оценки влияния жестко-эластичного радиального подпора на уровень максимальных тангенциальных напряжений в заготовке из ВКМ установлены соответствующие функциональные зависимости с изменением глубины внедрения гибочного инструмента и размеров полиуретановой матрицы. Значения максимальных тангенциальных напряжений обратно пропорциальны радиальному воздействию на заготовку из ВКМ со стороны полиуретановой матрицы. Создание более интенсивного радиального подпора позволяет проводить гибку с меньшими относительными радиусами изгиба и дает возможность управлять НДС листовой заготовки из ВКМ Жесткость полиуретановой матрицы увеличивается с уменьшением ее размеров.

Другим важным параметром процесса гибки с радиальным подпором является требуемая глубина внедрения гибочного инструмента с заготовкой в

полиуретановую матрицу Она определяется как достаточная глубина для формирования профиля заданной конфигурации. Разработка технологических режимов приводит к необходимости определения требуемой глубины внедрения в зависимости от параметров заготовки и технологического процесса (рис 5. 6). В качестве базового варианта взяты следующие параметры процесса гибки ВКМ с жестко-эластичным подпором-

а) Относительный радиус изгиба - 7 толщин;

б) Угол гибочного ролика - 90 градусов;

в) Толщина заготовки - 1 мм; ширина заготовки - 60 мм; V, « 29%

г) Полиуретановая матрица- ширина - 70 мм; толщина -60 мм.

Рис. 5. Зависимость требуемой глубины внедрения гибочного инструмента от параметров листовой заготовки из ВКМ

5

8

0,8 1 1,2 1,4 1,6

Толщина заготовки, мм

30 40 50 60 70 Ширина заготовки, мм

3

5 7 Я/Ь

9

11

60

90

120

Угол между попками профиля град

Рис. 6. Зависимость требуемой глубины внедрения гибочного инструмента от технологических параметров процесса гибки

Увеличение требуемой глубины внедрения при постоянном приращении толщины и ширины заготовки объясняется повышением изгибающего момента, прямо пропорционального данным параметрам листовой заготовки. Изменение технологических параметров таких, как относительный радиус и угол между полками профиля приводит к изменению конфигурации очага деформации и, как следствие, к изменению требуемого радиального воздействия со стороны полиуретановой матрицы. Полученные функциональные зависимости позволяют установить ориентировочные значения требуемой глубины внедрения при проведении гибки в условиях, близких к рассмотренному базовому варианту. Полученные результаты дают представление о напряженно-деформированном состоянии при гибке листовой заготовки из ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором. Установленные численные значения тангенциальных напряжений и деформаций позволяют определить технологические режимы гибки профилей по схеме с радиальным воздействием на очаг деформации.

Изделие, получаемое методом гибки-прокатки, должно иметь профиль, сформированный по всей длине заготовки, и сохранять исходную прямолинейность в продольном направлении. Однако в процессе гибки-прокатки выходящий из очага деформации профиль испытывает изгибающий момент в продольном направлении под действием радиального подпора со стороны полиуретановой втулки Для предотвращения изгиба профиля на выходе из очага деформации должно выполняться условие: момент жестко-эластичного подпора не должен превышать момента изгиба профиля в продольном направлении. Данное условие, учитывающее особенности процесса гибки-прокатки, дополняет критериальную систему для процессов формоизменения ВКМ. Необходимо отметить, что в отличие от традиционных материалов, ВКМ обладает дополнительной жесткостью в продольном направлении за счет армирующих волокон, играющих роль внутреннего

инструмента. Дальнейшее исследование имело целью разработать методику расчета получаемого в ходе гибки-прокатки профиля из ВКМ на продольный изгиб под действием жестко-эластичного радиального подпора и сформулировать критерий сохранения прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон.

Для анализа этапа формирования профиля по всей длине заготовки требуется изучение трехмерной математической модели. Ввиду вычислительной сложности моделирование процесса гибки-прокатки проводилось в два этапа: на первом этапе рассматривалась деформация полиуретановой матрицы и определялась величина вертикального момента, действующего на профиль со стороны жестко-эластичного радиального подпора; на втором этапе рассчитывался момент изгиба профиля, образующегося на выходе из валков.

Математическое моделирование проводилось с применением программы DEFORM 3D, предназначенной для анализа объемных пластически деформируемых объектов. Сопоставление данных, полученных на первом и втором этапах решения задачи, позволяет сделать вывод о значительном запасе жесткости для профиля из ВКМ рассмотренной конфигурации (рис. 7).

ю

-Момент изгиба для ¡аданного профиля

-Момент, создаваемый жестко-эластичным радиальным подпором

15

20

Плечо приложения нагрузки мм

Параметры профиля- материал ВКМ АД 1-бор (V, = 30%).

- Ш = 5.

- толщина - 1 мм.

- ширина заготовки - 40 мм.

- VIол изгиба - 90°

Рис. 7. Результаты расчета профиля заданной конфигурации на продольный изгиб под действием жестко-эластичного подпора в ходе гибки-прокатки

Проведенное всестороннее исследование создает предпосылки для разработки научно обоснованного технологического процесса производства профилей методом гибки-прокатки в валках с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки. Результаты математического моделирования позволили определить основные технологические параметры процесса гибки-прокатки и послужили основой для проектирования и изготовления экспериментальной) становки для гибки-прокатки профилей из ВКМ

Четвертая глава посвящена разработке научно обоснованного технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор

Проектирование установки для гибки-прокатки осуществлялось с применением пакета твердотельного моделирования БоНсШогкэ.

Получение профилей с применением экспериментальной установки методом гибки-прокатки происходит в следующей последовательности: начальный участок листовой заготовки из ВКМ помещается между верхним и нижним валками. После этого, производится равномерное закручивание зажимных винтов до требуемой глубины внедрения гибочного ролика с заготовкой в полиуретановую втулку, за счет чего образуется профиль, соответствующий форме ролика, на начальном участке заготовки. Затем нижний валок приводится во вращательное движение. При этом происходит формирование профиля по всей длине изгибаемой заготовки.

Изготовление экспериментальной установки позволило провести серию экспериментов, направленных на проверку данных, полученных в ходе математического моделирования, и уточнение технологических параметров процесса гибки-прокатки.

Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами математического моделирования выявило высокую степень соответствия с расчетными значениями (расхождение в полученных результатах не

превышало 7%). что свидетельствует о достоверности проведенных исследований с применением метода конечных элементов

Выборочный контроль внутреннего состояния материала, проведенный на шлифах угловых участков профилей после гибки-прокатки с допустимыми радиусами изгиба, не выявил признаков трещинообразования. Формоизменение листовой заготовки из ВКМ гибкой с радиусами, меньшими допустимых, приводит к разрушению материала путем отрыва матрицы от волокон в местах действия максимальных растягивающих напряжений и к последующему развитию трещины, выходящей на поверхность изделия.

Проведен фракционный анализ угловых участков профилей после гибки-прокатки. Результаты фракционного анализа показали, что более 70% волокон (при сплошности около 80% волокон в исходных тестовых заготовках из ВКМ АД 1-бор) после гибки-прокатки сохранили свою сплошность.

Полученные теоретические и экспериментальные данные послужили основой для разработки схемы и режимов нового технологическо1 о процесса

Технологический процесс производства длинномерных профилей из ВКМ АД] -бор методом гибки-прокатки включает в себя следующие операции

- контроль исходного бороалюминиевого листа,

- раскрой бороалюминиевого листа на заготовки под гибку-прокатку,

- получение профилей методом гибки-прокатки,

- обрезка технологических припусков,

- контроль деталей.

На предлагаемый в настоящей работе способ полу чения армированных профилей из волокнистых композиционных материалов получен патент Российской Федерации на изобретение

Общие выводы по работе

Результаты работы послужили основанием для следующих выводов.

1 Проведен анализ напряженно-деформированного состояния при гибки листовой заготовки из ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором с использованием двухмерной математической модели, реализованной методом конечных элементов и построенной в пакете АК'ЯУБ Экспериментальная проверка математической модели показала, что расхождение между данными математического моделирования и результатами проведенных экспериментов не превышает 5 - 7%. В математической модели в полной мере учитывается действие основных факторов, определяющих исследуемый процесс - тангенциальных напряжений в заготовке и жестко-эласгичного радиального подпора со стороны полиуретановой матрицы. Идентичная картина напряженно-деформированного состояния в ячейках ВКМ, расположенных в характерных зонах заготовки при гибке, дает основания для анализа математической модели с ограниченным числом моделируемых волокон

2. Исследовано влияние параметров исходной заготовки на технологические параметры процесса гибки с жестко-эластичным радиальным подпором. Получены численные значения тангенциальных напряжений и деформаций, возникающих при гибке листового ВКМ с радиальным подпором заготовки Установлены следующие функциональные зависимости.

- минимально допустимый относительный радиус из1иба, определяющий допустимую степень формоизменения листовой заготовки из ВКМ. в зависимости от шага укладки волокон и толщины заготовки, а также при свободном изгибе заготовки из ВКМ;

- требуемая глубина внедрения гибочного инструмента в зависимости от толщины и ширины листовой заготовки из ВКМ, прямо пропорциональных изгибающему моменту при гибке листового материала,

- требуемая глубина внедрения гибочного инструмента в зависимости от относительного радиуса и угла изгиба, взаимосвязанных с радиальным воздействием на очаг деформации и полки профиля со стороны полиуретановой матрицы;

- напряжение жестко-эластичного радиального подпора, которое в зависимости от глубины внедрения (от 5 до 9 мм) и размеров полиуретановой матрицы, принимает значения в диапазоне от 15 до 27 МПа, что объясняется различной степенью жесткости условий деформирования полиуретановой матрицы.

3. На основании критериальной системы определены минимально допустимые значения относительною радиуса изгиба при гибке заготовок из ВКМ различной конфигурации: для заготовок с объемными долями борных волокон 40%, 29% и 23% расчетные значения минимально допустимого радиуса изгиба составили, соответственно, 6,8; 5,7 и 4,2 толщин листовой заготовки Полученные данные согласуются с результатами экспериментальной гибки в штампе с жестко-эласгичным радиальным подпором. Предложена новая схема армирования с дифференцированным шагом укладки и на результатах математического моделирования доказана ее эффективность для минимизации относительного радиуса изгиба. Проанализировано напряженно-деформированное состояние при дифференцированном шаге укладки волокон в нижнем армирующем стое листовой заготовки из ВКМ Установлено что при гибке листовой заготовки из ВКМ, состоящей из пяти армированных слоев, с V, ~ 38-40% и шагом укладки волокон в четырех верхних слоях, равном 180 мкч, снижение максимальных тангенциальных напряжений и деформаций в заготовке в 1,21,3 раза происходит при увеличении шага \кладки в нижнем армирующем

слое на 20 мкм. При этом наибольший эффект от применения схемы с дифференцированным шагом укладки волокон для рассмотренной конфигурации заготовки из ВКМ и технологических параметров процесса гибки достигается при увеличении шага укладки в нижнем армирующем слое на величину до 60-80 мкм. Определены значения требуемой глубины внедрения гибочного инструмента с заготовкой в полиуретановую матрицу д.1Я рассмотренного базового варианта с изменением толщины заготовки от 0,8 до 1,6 мм, ширины заготовки от 30 до 70 мм, относительного радиуса изгиба с 3 до 11 толщин листовой заготовки и угла изгиба от 60° до 120°. Установленные функциональные зависимости позволяют вычислять требуемую глубину внедрения гибочного инструмента в жестко-эластичную матрицу для конкретных параметров процесса и исходной заготовки, значения которых находятся в исследованном интервале. Определено влияние жестко-эластичного радиального подпора на НДС заготовки из ВКМ. Установлено, что с увеличением напряжения радиального подпора на заготовку из ВКМ (до 25-27 МПа) за счет большей глубины внедрения гибочного инструмента или повышения жесткости полиуретановой матрицы, максимальные тангенциальные напряжения в заготовке из ВКМ могут снижаться более чем в 2 раза.

4. Рассмотрена вторая стадия процесса гибки-прокатки - формирование профиля по всей длине заготовки - и связанный с ней вопрос о возможности продольного изгиба профиля под действием жестко-эчастичного радиального подпора на выходе из очага деформации при вращении валков. На основе анализа трехмерных математических моделей в программе DEFORM предложена методика расчета профиля заданной конфигурации на продольный изгиб в ходе процесса гибки-прокатки. Сформулирован дополнительный критерий, обеспечивающий сохранение прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон. Предложены практические рекомендации, позволяющие предотвратить продольный изгиб

получаемых изделий Весь комплекс проведенных исследований послужил основой для разработки научно обоснованного технологическою процесса производства профилей по предлагаемой схеме

5 На основании результатов математического моделирования спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для получения профилей из ВКМ методом гибки-прокатки Проектирование осуществлялось с применением пакета твердотельного моделирования $оПс)\Уогк5 Получение длинномерных профилей из ВКМ с использованием экспериментальной установки методом гибки-прокатки по разработанной схеме происходит в следующей последовательности- начальный участок листовой заготовки из ВКМ помещается между верхним и нижним валками, после чего осуществляется равномерное закручивание зажимных винтов до требуемой глубины внедрения гибочного ролика с заготовкой в полиуретановую втулку, за счет чего образуется профиль, соответствующий форме ролика, на начальном участке заготовки. Затем нижний валок приводится во вращательное движение При этом происходит формирование профиля по всей длине изгибаемой заготовки.

6. Проведено экспериментальное исследование процесса гибки-прокатки листовых заготовок из ВКМ АД 1-бор, полученных различными способами компактирования Определены минимально допустимые радиусы изгиба при гибке-прокатке для листовых заготовок из ВКМ с различной толщиной и объемной долей борных волокон: для с V, - 20% минимально допустимый относительный радиус изгиба составил 5+6 толщин листовой заготовки; при V, = 30% и \'г = 40% - минимально допустимые значения г'Ь составили 6-7 и 7+8 толщин листовой заготовки, соответственно При этом гибка предварительно отожженных заютовок возможна при меньших значениях относительного радиуса изгиба Установлена высокая степень соответствия между результатами экспериментов и математического моделирования Результаты металлографического анализа не выявили

дефектов при гибке-прокатке листовых заготовок из ВКМ с допустимыми относительными радиусами изгиба Результаты фракционного анализа свидетельствуют о том, что большая часть волокон после проведения гибки-прокатки с допустимыми относительными радиусами изгиба сохраняет свою сплошность Полученные теоретические и экспериментальные данные послужили основой для разработки схемы и режимов нового технологического процесса производства длинномерных профилей из волокнистого композиционного материала АД1-бор методом гибки-прокатки в валках с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки

7. На предлагаемый в настоящей работе способ получения армированных профилей из волокнистых композиционных материалов получен патент Российской Федерации на изобретение №2207927 (приоритет от 21 ноября 2001 г.)

Публикации по теме диссертации

1. Галкин В.И., Нуждин В Н.. Палтиевич А.Р., Преображенский Е.В.

Способ получения армированных профилей из волокнистых ?

композиционных материалов Патент Российской Федерации на изобретение №2207927 (приоритет от 21.11.2001). %

2. Галкин В.И.. Нуждин В Н., Палтиевич А.Р., Преображенский Е.В Новые процессы производства армированных оболочек и гп\тых профилей из волокнистых композиционных материалов на металлической основе. Тезисы докладов Международной конференции «Стоистые композиционные материалы», Волгоград, 2001 г

3 Нуждин В Н. Разработка и математическое моделирование технологического процесса изготовления профилей из волокнистых композиционных материалов методом гибки-прокатки Тезисы докладов

XXVIII Международной мотодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2002 г

4. Галкин В.И., Нуждин В.Н., Преображенский Е.В Разрабо1ка новых технологических процессов производства гнутых профилей и цилиндрических оболочек из волокнистых композиционных материалов. Научные тр\ды «МАТИ» -РГТУ им К Э. Циолковского Вып 5(77), 2002 г

5 Галкин В П., Нуждин В.Н. Преображенский Е.В. Разработка новых технологических процессов производства гнутых профилей и цилиндрических оболочек из волокнистых композиционных материалов. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2002 г , с.62-63

6 Нуждин В Н. Преображенский Е.В Разработка новых технологических процессов производства гнутых профилей и цилиндрических оболочек из волокнистых композиционных материалов Тезисы докладов конференции «Международная неделя металлов», Москва, 2003.

7. Нуждин В.Н., Преображенский Е.В Конструирование технологической оснастки с применением современных систем автоматизированного проектирования. Тезисы докладов XXIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения«. Москва, 2003.

8. Мануйлов В.Ф., Соколов АВ. Нуждин ВН, Преображенский Е В Разработка принципов однопроходной прокатки изделий из волокнистых композиционных материалов. Научно-технический журнап «Технология легких сплавов». Москва, издательство ОАО «ВИЛС». ОНТИ. №2-3, 2003 г, с. 62-69.

9 Нуждин В Н.. Преображенский Е В. Разработка и математическое моделирование технологических процессов изготовления оболочек и профилей из волокнистых композиционных материалов Международный

научно-технический и производственный журнал «Цветные металлы» Л"°5, 2003 г, с 60-65.

10. Галкин В.И., Нуждин В.Н. Математическое моделирование компакшых листовых композиционных материалов с применением пакета А^УБ/Т^-ПУМА. Тезисы докладов первой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технотогий в производстве». Москва. 2003 г., с.34-36.

11 Галкин В.И., Нуждин В.Н. Определение основных технологических параметров процесса гибки листов из ВКМ методами математического моделирования. Сборник материалов третьей Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством», Москва. 2004, с.141-142.

12. Нуждин В.Н. Исследование процесса гибки листовых заготовок из волокнистых композиционных материалов методами математического моделирования Тезисы докладов XXX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» Москва, 2004 с 41-42

13. Нуждин В.Н. Применение информационных технологий в разработке технологического процесса производства стрингерных профилей. Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва. 2004 г., с.34-35.

14. Нуждин В.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки из листового материала с применением метода конечных элементов Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва. 2004 г

Подписано в печать 25.04.05. Усл. печ. л. 1.0. Формат 60 х 84 '/,6. Печать на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ № 38

Издательский центр «МАТИ» - Российского государс гвенно! о технологического университета им. К.Э Циолковского 109240, Москва. Берниковская наб., 14

Типография ИЦ «МАТИ» - Российского государственною техно iot ическою университета им, К.Э. Циолковскою 109240, Москва, Берниковская наб., 14

í

I

I

с

i

РНБ Русский фонд

2006-4 14092

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Конструкционные ВКМ системы алюминий-бор, их характеристики и перспективы применения.

1.2. Способы производства профилей из ВКМ.

1.2.1. Одностадийные процессы

1.2.2. Двухстадийные процессы

1.3. Система критериальных выражений для процесса гибки компактных листовых заготовок из ВКМ.

1.4. Математические методы исследования процессов формоизменения ВКМ.,.

1.5. Предлагаемая схема получения профилей из ВКМ методом гибки -прокатки.

Выводы по главе I.

Цель работы и задачи исследования.

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Исследуемые материалы и их компоненты.

2.2. Применяемые методы исследования.

2.3. Программные средства для проведения математического моделирования и проектирования экспериментальной установки.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИБКИ ВКМ С ЖЕСТКО

ЭЛАСТИЧНЫМ РАДИАЛЬНЫМ ПОДПОРОМ.

3.1. Математическое моделирование процесса гибки листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки.

3.1.1. Построение математической модели

3.1.2. Экспериментальная проверка математической модели.

3.1.3. Анализ напряженно-деформированного состояния и установление функциональных зависимостей при гибке листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки.

3.2. Математическое моделирование гибки-прокатки профилей из ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки.

3.2.1. Постановка задачи для анализа профиля из ВКМ на продольный изгиб в ходе процесса гибки-прокатки.

3.2.2. Определение момента, создаваемого жестко-эластичным радиальным подпором.

3.2.3. Расчет профиля из ВКМ на продольный изгиб.

3.2.4. Формулировка критерия сохранения прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон.

Выводы по главе III.

ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ ПРОФИЛЕЙ МЕТОДОМ ГИБКИ-ПРОКАТКИ .:.

4.1. Проектирование и изготовление экспериментальной установки для получения профилей из ВКМ методом гибки-прокатки

4.2. Экспериментальное исследование процесса гибки-прокатки профилей из ВКМ.

4.3. Разработка технологической схемы процесса производства длинномерных профилей из ВКМ методом гибки-прокатки.

Выводы по главе IV.

Актуальность темы. Прогресс в авиационной и космической промышленности неразрывно связан с поиском и разработкой новых технологических решений, позволяющих уменьшить массу летательных аппаратов, повышая при этом отдачу по полезной нагрузке. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эту задачу, является разработка новых эффективных технологических процессов с использованием в качестве материалов для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники композиционных материалов на металлической основе.

Среди существующих в настоящее время композиционных материалов с металлической матрицей особое место занимают волокнистые композиционные материалы (ВКМ) системы алюминий-бор, обладающие повышенной конструкционной эффективностью: высокими значениями удельной жесткости и прочности при малой плотности в сочетании с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Кроме того, ВКМ системы алюминий-бор обладают общим для всех композиционных материалов достоинством, заключающимся в возможности регулирования их свойств за счет изменения соотношения входящих в их состав компонентов с различными физическими и механическими свойствами. Снижение массы и повышение жесткости основных узлов летательных аппаратов может быть достигнуто путем замены традиционных материалов на ВКМ системы алюминий-бор.

С точки зрения конструкционной эффективности, применение ВКМ наиболее целесообразно для изготовления из них различных элементов жесткости (профилей, труб и др.), испытывающих максимальную нагрузку в направлении армирования. Существующие в настоящее время способы производства профилей из ВКМ рассчитаны на получение изделий ограниченной длины. По этой причине производство длинномерных профилей из ВКМ, применяющихся в крупногабаритных узлах летательных аппаратов, либо вовсе не осуществимо, либо сопряжено с дополнительными техническими трудностями.

Учитывая особенности состава и строения ВКМ, для производства из них пространственных изделий наиболее приемлема операция гибки. При этом гибка с жестко-эластичным радиальным воздействием на заготовку позволяет существенно увеличить допустимую степень формоизменения листового ВКМ за счет создания дополнительного гидростатического давления в очаге деформации. Получение длинномерных профилей из ВКМ по предлагаемой в настоящей работе схеме заключается в объединении процессов гибки с жестко-эластичным радиальным подпором и прокатки в одном технологическом процессе.

Для получения качественных изделий по предлагаемой схеме актуальной задачей является исследование процесса гибки ВКМ системы алюминий-бор с жестко-эластичным радиальным подпором математическими и экспериментальными методами с целью определения численных значений тангенциальных напряжений и деформаций, возникающих при гибке листового ВКМ и определяющих допустимую степень его формоизменения, и разработка на его основе нового технологического процесса получения длинномерных профилей из ВКМ.

Цель работы заключается в исследовании процесса гибки листового ВКМ системы алюминий-бор с жестко-эластичным радиальным подпором и разработке научно обоснованного технологического процесса производства длинномерных профилей из волокнистого композиционного материала АД1-бор методом гибки-прокатки.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

- разработка принципиальной схемы технологического процесса;

- математическое моделирование процесса гибки профилей из ВКМ;

- совершенствование критериальной системы путем формулировки нового критерия, учитывающего особенности процесса гибки-прокатки;

- проектирование и изготовление экспериментальной установки;

- проведение экспериментальной оценки параметров технологического процесса и получение опытных изделий методом гибки-прокатки;

- разработка технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены численные значения тангенциальных напряжений и деформаций, действующих в зоне растяжения заготовки из ВКМ при гибке с жестко-эластичным радиальным подпором. Определены численные значения радиальных напряжений, действующих на заготовку со стороны жестко-эластичного подпора.

2. Установлены следующие функциональные зависимости:

- минимально допустимый относительный радиус изгиба в зависимости от шага укладки волокон (объемной доли армирующих волокон), а также при свободном изгибе листовой заготовки из ВКМ;

- требуемая глубина внедрения гибочного инструмента в зависимости от параметров листовой заготовки из ВКМ (толщины и ширины) и параметров технологического процесса гибки (относительного радиуса и угла изгиба);

- напряжение жестко-эластичного радиального подпора в зависимости от глубины внедрения гибочного инструмента и размеров полиуретано-вой матрицы.

3. На основании критериальной системы определены минимально допустимые значения относительного радиуса изгиба при гибке заготовок из ВКМ различной конфигурации. ф Предложена новая схема армирования с дифференцированным шагом укладки волокон и на основании анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) при гибке с дифференцированным шагом укладки волокон в нижнем армирующем слое доказана ее эффективность для повышения допустимой степени формоизменения листовой заготовки из ВКМ (минимизации относительного радиуса изгиба).

5. Определено влияние жестко-эластичного радиального подпора на НДС заготовки из ВКМ в ходе процесса гибки-прокатки. Предложена методика расчета профиля из ВКМ заданной конфигурации на продольный изгиб и сформулирован дополнительный критерий для процесса гибки-прокатки, обеспечивающий сохранение прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон.

Практическая значимость работы определяется комплексом проведенных исследований, на основании результатов которого разработан технологический процесс производства длинномерных профилей из ВКМ АД1-бор методом гибки-прокатки.

Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для гибки-прокатки профилей из ВКМ. Разработаны схема и режимы технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки.

На предлагаемый в настоящей работе способ получения армированных профилей из волокнистых композиционных материалов получен патент Российской Федерации на изобретение №2207927 (приоритет от 21 ноября 2001 г.).

Достоверность полученных результатов основана на применении хорошо зарекомендовавших себя методов исследования, а также высокой степени соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Слоистые композиционные материалы», г. Волгоград, 2001 г; XXVIII, XXIX и XXX Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения», г. Москва, 2002-2004 гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2002 и 2004 гг.; конференции «Международная неделя металлов», Москва, 2003; Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2003-2004 гг.; Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством», Москва, 2003-2004 гг.

Проведенные исследования процесса гибки листового волокнистого композиционного материала с жестко-эластичным радиальным подпором отмечены двумя дипломами Всероссийского конкурса «Компьютерный инжиниринг» в 2002 и 2004 гг.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 публикациях и патенте РФ.

Объем диссертационной работы. Настоящая диссертационная работа изложена на 167 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, библиографического списка, приложения, 27 таблиц и 74 рисунков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Настоящая работа выполнена с целью исследования процесса гибки ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором и разработки научно обоснованного технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ методом гибки-прокатки. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс производства профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки. Программа исследований, намеченная в соответствии с целью работы, выполнена полностью. Результаты работы послужили основанием для следующих выводов:

1. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния при гибки листовой заготовки из ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором с использованием двухмерной математической модели, реализованной методом конечных элементов и построенной в пакете ЛЫБУБ. Экспериментальная проверка математической модели показала, что расхождение между данными математического моделирования и результатами проведенных экспериментов не превышает 5 - 7%. В математической модели в полной мере учитывается действие основных факторов, определяющих исследуемый процесс - тангенциальных напряжений в заготовке и жестко-эластичного радиального подпора со стороны полиуретановой матрицы. Идентичная картина напряженно-деформированного состояния в ячейках ВКМ, расположенных в характерных зонах заготовки при гибке, дает основания для анализа математической модели с ограниченным числом моделируемых волокон.

2. Исследовано влияние параметров исходной заготовки на технологические параметры процесса гибки с жестко-эластичным радиальным подпором. Получены численные значения тангенциальных напряжений и деформаций, возникающих при гибке листового ВКМ с радиальным подпором заготовки. Установлены следующие функциональные зависимости:

- минимально допустимый относительный радиус изгиба, определяющий допустимую степень формоизменения листовой заготовки из ВКМ, в зависимости от шага укладки волокон и толщины заготовки, а также при свободном изгибе заготовки из ВКМ;

- требуемая глубина внедрения гибочного инструмента в зависимости от толщины и ширины листовой заготовки из ВКМ, прямо пропорциональных изгибающему моменту при гибке листового материала;

- требуемая глубина внедрения гибочного инструмента в зависимости от относительного радиуса и угла изгиба, взаимосвязанных с радиальным воздействием на очаг деформации и полки профиля со стороны полиуретано-вой матрицы;

- напряжение жестко-эластичного радиального подпора, которое в зависимости от глубины внедрения (от 5 до 9 мм) и толщины полиуретано-вой матрицы (от 20 до 40 мм), принимает значения в диапазоне от 15 до 27 МПа, что объясняется различной степенью жесткости условий деформирования полиуретановой матрицы.

3. На основании критериальной системы определены минимально допустимые значения относительного радиуса изгиба при гибке заготовок из ВКМ различной конфигурации: для заготовок с объемными долями борных волокон 40%, 29% и 23% расчетные значения минимально допустимого радиуса изгиба составили, соответственно, 6,8; 5,7 и 4,2 толщин листовой заготовки. Полученные данные согласуются с результатами экспериментальной гибки в штампе с жестко-эластичным радиальным подпором. Предложена новая схема армирования с дифференцированным шагом укладки и на результатах математического моделирования доказана ее эффективность для минимизации относительного радиуса изгиба. Проанализировано напряженно-деформированное состояние при дифференцированном шаге укладки волокон в нижнем армирующем слое листовой заготовки из ВКМ. Установлено, что при гибке листовой заготовки из ВКМ, состоящей из пяти армированных слоев, с Vf = 38-40% и шагом укладки волокон в четырех верхних слоях, равном 180 мкм, снижение максимальных тангенциальных напряжений и деформаций в заготовке в 1,2-1,3 раза происходит при увеличении шага укладки в нижнем армирующем слое на 20 мкм. При этом наибольший эффект от применения схемы с дифференцированным шагом укладки волокон для рассмотренной конфигурации заготовки из ВКМ и технологических параметров процесса гибки достигается при увеличении шага укладки в нижнем армирующем слое на величину до 60-80 мкм. Определены значения требуемой глубины внедрения гибочного инструмента с заготовкой в поли-уретановую матрицу для рассмотренного базового варианта с изменением толщины заготовки от 0,8 до 1,6 мм, ширины заготовки от 30 до 70 мм, относительного радиуса изгиба с 3 до 11 толщин листовой заготовки и угла изгиба от 60° до 120°. Установленные функциональные зависимости позволяют вычислять требуемую глубину внедрения гибочного инструмента в жестко-эластичную матрицу для конкретных параметров процесса и исходной заготовки, значения которых находятся в исследованном интервале. Определено влияние жестко-эластичного радиального подпора на НДС заготовки из ВКМ. Установлено, что с увеличением напряжения радиального подпора на заготовку из ВКМ (до 25-27 МПа) за счет большей глубины внедрения гибочного инструмента или повышения жесткости полиуретановой матрицы, максимальные тангенциальные напряжения в заготовке из ВКМ могут снижаться более чем в 2 раза.

4. Рассмотрена вторая стадия процесса гибки-прокатки - формирование профиля по всей длине заготовки - и связанный с ней вопрос о возможности продольного изгиба профиля под действием жестко-эластичного радиального подпора на выходе из очага деформации при вращении валков. На основе анализа трехмерных математических моделей в программе DEFORM предложена методика расчета профиля заданной конфигурации на продольный изгиб в ходе процесса гибки-прокатки. Сформулирован дополнительный критерий, обеспечивающий сохранение прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон. Предложены практические рекомендации, позволяющие предотвратить продольный изгиб получаемых изделий. Весь комплекс проведенных исследований послужил основой для разработки научно обоснованного технологического процесса производства профилей по предлагаемой схеме.

5. На основании результатов математического моделирования спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для получения профилей из ВКМ методом гибки-прокатки. Проектирование осуществлялось с применением пакета твердотельного моделирования SolidWorks. Получение длинномерных профилей из ВКМ с использованием экспериментальной установки методом гибки-прокатки по разработанной схеме происходит в следующей последовательности: начальный участок листовой заготовки из ВКМ помещается между верхним и нижним валками, после чего осуществляется равномерное закручивание зажимных винтов до требуемой глубины внедрения гибочного ролика с заготовкой в полиуретановую втулку, за счет чего образуется профиль, соответствующий форме ролика, на начальном участке заготовки. Затем нижний валок приводится во вращательное движение. При этом происходит формирование профиля по всей длине изгибаемой заготовки.

6. Проведено экспериментальное исследование процесса гибки-прокатки листовых заготовок из ВКМ АД1-бор, полученных различными способами компактирования. Определены минимально допустимые радиусы изгиба при гибке-прокатке для листовых заготовок из ВКМ с различной толщиной и объемной долей борных волокон: для с Vf = 20% минимально допустимый относительный радиус изгиба составил 5ч-6 толщин листовой заготовки; при Vf = 30% и Vf = 40% - минимально допустимые значения r/h составили б-т-7 и 7-7-8 толщин листовой заготовки, соответственно. При этом гибка предварительно отожженных заготовок возможна при меньших значениях относительного радиуса изгиба. Установлена высокая степень соответствия между результатами экспериментов и математического моделирования. Результаты металлографического анализа не выявили дефектов при гибке-прокатке листовых заготовок из ВКМ с допустимыми относительными радиусами изгиба. Результаты фракционного анализа свидетельствуют о том, что большая часть волокон после проведения гибки-прокатки с допустимыми относительными радиусами изгиба сохраняет свою сплошность. Полученные теоретические и экспериментальные данные послужили основой для разработки схемы и режимов нового технологического процесса производства длинномерных профилей из волокнистого композиционного материала АД1-бор методом гибки-прокатки в валках с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки.

7. На предлагаемый в настоящей работе способ получения армированных профилей из волокнистых композиционных материалов получен патент Российской Федерации на изобретение №2207927 (приоритет от 21 ноября 2001 г.).

1. Композиционные материалы: в 8-ми т. Пер. с англ. / Под ред. Л. Браут-мана и Р. Крока. Т.4. Композиционные материалы с металлической матрицей / Под ред. К. Крейдера. М.: Машиностроение, 1978. 503 е., ил.

2. Основы авиационной техники: Учебник / Под ред. И.А. Шаталова. -Изд. второе, перераб. и доп. М.: Изд-во МАИ, 1999. - 576 е.: ил.

3. Смирнов В.И. Исследование процесса гибки армированных листов и разработка технологии производства профилей из волокнистых композиционных материалов системы алюминий-бор. Автореферат канд. диссертации. М., МАТИ, 1984.

4. U.S. Centennial of Flight Commission / http://www.centennialofflight.gov/essay/EvolutionofTechnology/composites/Tech40.htm

5. Композиционные материалы: Справочник/ B.B. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. Ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнополь-ского. -М.: Машиностроение, 1990. 512 е.; ил.

6. Пластики конструкционного назначения. Под ред. Е.Б. Тростянской. М., «Химия», 1974, 304 с.

7. Авиационные материалы. Вып. 2. Неметаллические композиционные материалы, ОНТИ, М., ВИАМ, 1977, 168 с.

8. Композиционные материалы: в 8-ми т. Пер. с англ. / Под ред. Л. Браут-мана и Р. Крока. Т.З. Применение композиционных материалов в технике / Под ред. Б.Р. Нотона. М.: Машиностроение, 1978. 510 с., ил.

9. Композиционные материалы в конструкции летательных аппаратов. Пер. с англ. под ред. А.Л. Абибова. М.: Машиностроение, 1975, 272 с.

10. Toth I.J., Brentnall W.D., Menke G.D. Fabricating Aluminum Matrix Composites. Journal of Metals. 1972, v.24, p. 19-25.

11. Туманов А.Г., Портной К.И., Чубаров В.М., Салибеков С.Е. Композиционный материал ВКА-1 на алюминиевой основе, упрочненный волокнами бора. В кн. Композиционные металлические материалы. М., ОНТИ, 1972, с.40-51.

12. Prewo K.M., Kreider K.G. The transverse tensile properties of boron fiber reinforced aluminum matrix composites. Met. Trans., 1972, v.3, №8, p.2201-2211.

13. Келли А. Высокопрочные материалы. М., «Мир», 1976, 261 с.

14. Карпинос Д.М., Кадыров В.Х., Мороз В.П. Прочность композиций на основе алюминия при циклическом нагружении. В кн. Композиционные материалы. М.: Наука, 1981, с.147-149.

15. Иванова B.C., Копьев И.М., Елагин Ф.М. и др. Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами. М., «Наука», 1974, 200 с.

16. Кутайцева Е.И., Жуков СЛ., Бутусов И.В. и др. В кн. «Деформируемые алюминиевые сплавы», под ред. Фридляндера И.Н. М., «Оборонгиз», 1961, с.235-241.

17. Справочник по авиационным материалам. Издание пятое. Под общ. ред. Туманова А.Т. Том 2. М., «Машиностроение», 1966, 457 с.

18. Светлов И.Л., Левинский Ю.В., Зайковская Т.Б. Влияние термической обработки на свойства волокон бора. В кн. Композиционные металлические материалы. М., ОНТИ, 1972, с.91-96.

19. Макарова С.А. Исследование и разработка процесса горячего прессования труб из плазменных полуфабрикатов композиционных материалов системы алюминий-бор. Автореферат канд. диссертации. М., MATH, 1977.

20. Breinan Е.М., Kreider K.G. Metallurgical Transactions, 1973, v.4, №4, p.1155-1165.

21. Herring H.W., Litton J.L., Steel J.M. Met. Trans. 1973, v.4, №3, p.807-814

22. Weber R.J. SAE Paper, 1975, №750629, 8 p.

23. Милейко C.T., Хвостунков A.A. Сжатие однонаправленного волокнистого композиционного материала. В кн. Композиционные металлические материалы. М., ОНТИ 1972, с.96-103.

24. Markham M.F., Dawson D.J., Composites, 1975, №4, p. 173.

25. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей. Под ред. М. X. Шоршорова. М.: Машиностроение, 1981. 272 е.; ил.

26. Расчеты процессов деформации композиционных материалов. Мануйлов В.Ф., Смирнов В.И., Галкин В.И. Под ред. А. И. Колпашникова. М.: Металлургия, 1992. 208 с.

27. Волокнистые и дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Под ред. Н. В. Агеева и др. М.: Наука, 1976. 216 с.

28. Hepper R.H. Boron-aluminum structural components for Shuttle. Abstr., Space Shuttle Materials. V. 3, Azusa, Calif., 1971, p. 129.

29. M. Miller, A. Robertson. Boron/Aluminum and Borsic/Aluminum Metal-Matrix Composites Analysis, Design, Application and Fabrication. "Hybrid and Selected Metal-Matrix Composites State Art. Rev." N.Y., 1977.

30. Metal-Matrix Composites: Status and Prospects. Rep. of the Ad. Hoc. Committee on Metal-Matrix Сотр. Publ. №MAB-313, National Academy of Science. Washington D.C., Dec. 1974, 37 p.

31. Туманов A.T. Современные композиционные материалы и технические процессы получения деталей авиационной техники. По материалам 30-го авиационно-космического салона, 1973, ОНТИ, 1974.

32. Metal-Matrix Composites for Space Applications. JOM, №53(4), 2001, pp. 14-17.

33. Структура и свойства композиционных материалов. / К.И. Портной, С.Е. Сапибеков, И.Л. Светлов и др. М.: Машиностроение, 1979, 256 с.

34. Композиционные материалы. / Под ред. А.И. Манохина. М.: Наука, 1981,305 с.

35. Колпашников А.И., Мануйлов В.Ф., Ширяев Е.В. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами. М.: Металлургия, 1974, 248 с.

36. Hanes H.D. Hot Isostatic Processing Reaches Maturity SAMPE. Quarterly, 1974, v.5, №2, p. 1-9.

37. Miller M.F., Schaeter W.H. Metal Matrix Fabrication Processes. 16th National Symposium SAMPE. 1971, Apr., p.20-23.

38. Семенов Б.И., Ханин Е.И., Маркевич Ю.Б. Изучение условий кристаллизации и формирования структуры алюминиевой матрицы при получении литых композиционных жгутов. «Физика и химия обработки материалов», 1978, №1, с.138-142.

39. Mangiapane J.A., Gray D.F., Sattar S.A., Timoshenko J.A. 1968. AIAA Paper 68-1037.

40. Колпашников А.И., Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф. Деформирование композиционных материалов. М.: Металлургия, 1982. 248 с.

41. Чубаров В.М., Салибеков С.Е., Грибков А.Н. и др. Исследование эксплуатационных характеристик бороалюминиевого композиционного материала ВКА-1. В кн. Композиционные материалы. М.: Наука, 1981, с. 106111.

42. Колпашников А.И., Павлов Е.А., Киселёв В.А. и др. Исследование процесса получения гнутых профилей из бороалюминия. В кн. Композиционные материалы. М.: Наука, 1981, с.136-139.

43. Фридляндер И.Н., Грибков А.Н. Особенности деформирования металлических композиций хрупкими волокнами. МиТОМ, 1980, №11, с.19-21.

44. Weisinger M.D. Metal Matrix Composite Structures Toolings and Fabrication Processes. SAE, Preprint, 1970, №700752.

45. Грибков A.H., Соловьев В.П., Смирнов В.И., Чичков Ю.Н. Некоторые особенности деформирования волокнистых композиционных материаловс металлической матрицей. В кн. Композиционные материалы. М.: Наука, 1981, с.144-146.

46. Ходырев В.А. Применение полиуретана в листоштамповочном производстве. Пермь, 1973. -218 с.

47. Фридляндер H.H., Грибков А.Н. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. №11, с. 19-21.

48. Галкин В.И. Новые эффективные методы производства изделий из волокнистых композиционных материалов. М.: MATH, 1997. 68 с.

49. Розин JI.A. Метод конечных элементов. М.: Математика, 2000. 232 с.

50. Торопцев A.B. Желаемое и действительное в методе конечных элементов. Издательство Ульяновского государственного университета, 2000. -17 с.

51. Теория пластических деформаций металлов. Под ред. Е. В. Унксова, А. Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1983. 598 с.

52. Гун ГЛ. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

53. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 с.

54. Галкин В.И. Создание элементов САПР процессов компактирования изделий из КМ с хрупкими волокнами. В сб. I Всесоюзной конференции по теории и технологии КМ. Киев, 1988 г.

55. Соколов A.B. Разработка и исследование процесса однопроходной прокатки листов из волокнистых композиционных материалов. Автореферат канд. диссертации. М., МАТИ, 1999.

56. Палтиевич А.Р. Исследование и разработка процесса горячего однопроходного волочения продольно-армированных труб из бороалюминия на подвижной оправке. Автореферат канд. диссертации. М., МАТИ, 2000.

57. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. М.-Л., «Машиностроение», 1967. 504 с.шсшйшкш'ФЕдашщшееее

58. Е Е 55 Е Е Е Е Е Е г-г Е Е ЕЕ§ Vf-': Г:1. ЕрШрщш1Лгхг;1.1. Е!Е