автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование процесса чистовой пробивки толстолистовых заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов

На правах рукописи

00344ЭЬ

Хтайк Сан Вин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЧИСТОВОЙ ПРОБИВКИ ТОЛСТОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05 07 02 "Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

003449512

Работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» ГОУ ВПО «МАТИ»- Российском государственном технологическом университете имени К Э Циолковского

Научный руководитель Официальные оппоненты-

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Ершов В И

доктор технических наук, профессор Макаров К А

кандидат технических наук, доцент Филимонов А.С.

Национальный институт авиационных технологий

защита состоится

¿ииб г в «

» часов

Сб

мин на

заседании диссертационного совета Д 212.110 02 при ГОУ ВПО «МАТИ» -Российском государственном технологическом университете имени К ЭДиолковского по адресу 109240, Москва, Берниковская наб ,14, стр 2

Г1 Г(ЧЛЛ&»»Г-ЛТ»»»ЛЛ « «ЛЧ1-ТТЛ ЛЧТ»П»'Л1 ГТ»Ч»Т /»Л П Йт1Йт1ЛТ«»Т'Й ТУ^Х/" ИПГ\ 'Л А Л ' I I/Тч\ V Диуч^р 11М>Л и гч^лчЪ' Ж \4fAi к^ХА//

Российского государственного технологического университета имени К Э Циолковского

Автореферат разослан « ¿/ » Л_2008 г

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу 121552, г Москва, ул Оршанская, д 3, ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им К Э Циолковского, ученому секретарю диссертационного совета Д212 110 02

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 110 02 .

доктор технических наук, доцент /{ ,

Силуянова М В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В конструкции летательных аппаратов широко используются заклепочные и болтовые соединения Болтовые соединения являются одним из наиболее широко применяемых видов механических точных соединений В конструкции тяжелого самолета их число достигает 150 200 тыс штук К технологическим факторам, определяющим ресурс заклепочных и болтовых соединений, относятся

- точность выполнения отверстий,

- качество поверхностного слоя отверстий,

- степень точности выполнения заданных осевых и радиальных натягов, -состояние контактных поверхностей

В настоящее время получения качественных отверстий осуществляется чаще всего механической обработкой (сверлением в несколько переходов, зенкерованием, развертыванием или протяжкой) Поэтому трудоемкость обработки отверстий весьма высока Более высокая производительность труда обеспечивается при использовании процесса пробивки. Однако процесс пробивки, в свою очередь, обладает недостатками или не обеспечивается требуемое качество отверстия, или требуется сложное специальное штамповое оснащение Поэтому разработка новых способов пробивки отверстий, обеспечивающих требуемое качество при использовании простой оснастки, является актуальной

Цель работы: Повышение производительности труда и упрощение технологического оснащения

Указанная цель может быть достигнута при использовании разработанного и исследованного нового способа чистовой пробивки отверстий на прессах простого действия, совмещающего последовательно выполняемые на одном рабочем месте операции механической обработки и обработки давлением Повышение качества пробиваемых отверстий обеспечивается при создании высоких гидростатических давлений в результате нанесения концентратов на поверхности заготовки

Научная новизна. В работе предложен и исследован новый способ создания высокого гидростатического давления в зоне среза путем увеличения усилия пробивки в результате предотвращения образования скалывающих трещин со стороны матрицы и увеличения объема материала заготовки,

вовлекаемого в пластическую деформацию благодаря наличию концентраторов в зоне отверстия

Концентраторы выполняются предвартельно с использованием инструмента типа центробора или трубчатой фрезы, выполняющей и функции пуансона

Исследован механизм разрушения материала заготовки в зоне отверстия при использовании пуансонов с плоским и ступенчатым торцом

При использовании метода линий скольжения получены поля и аналитические выражения, позволяющие оценить напряженное и деформированное состояние при срезе, а также положение поверхности среза, что оказывает значительное влияние на качество пробивки

Установлено, что механизм отделения отличается от традиционного Если при обычной пробивке у режущих кромок пуансона и матрицы появляются трещины, которые растут и соединяются, что и является причиной разделения, то в предлагаемом способе разделение происходит в результате сдвига одной части заготовки относительно другой, чему предшествует значительная пластическая деформация

Методы исследования. В теоретических исследованиях использован метод линий скольжения решения задач листовой штамповки Решения прикладных задач находились с помощью точных и приближенных аналитических методов и методов численного анализа Выполнено значительное количество экспериментальных работ, позволивших выбрать оптимальные условия пробивки

Основные научные результаты. На основании теоретического и экспериментального изучения характера деформирования при пробивке определены основные параметры чистовой пробивки при различных формах и глубинах концентраторов, а также разных формах режущей кромки пробивного пуансона

Впервые при анализе процесса пробивки получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать положение поверхности разделения и, следовательно, качество отверстия

Достоверность результатов Достоверность полученных в диссертации результатов, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, основанного на

интегралах Генки, апробированных методов технических измерений и удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с предсказанными теоретическими исследованиями

Практическая ценность работы Разработан и исследован новый процесс получения качественных отверстий при посш>лгжятрлкнпм выполнении операции механической обработки и обработки давлением Установлено, что новый процесс имеет высокую производительность, низкую стоимость благодаря использованию простой оснастки и обеспечивает высокое качество отверстий Благодаря наличию концентра торов, устраняется утяжина со стороны пуансона и заусенцы со стороны матрицы Так как момент отделения наступает при достижении больших усилий при значительном внедрении пуансона в заготовку, в зоне среза создаются большие гидростатические давления, что приводит к существенному повышению качества поверхности

Разработана конструкция штампа, позволяющая совместить операции механической обработки и пробивки при использовании прессов простого действия

Апробация работы Основные результаты диссертации апробированы на Международной молодежной конференции «XXXII I агаринские чтения» в 2006 г, «XXXIII Гагаринские чтения» в 2007 г, «XXXIV Гагаринские чтения» в 2008 г, XXXÍI Академических чтений по космонавтике Москва, январь -февраль 2008 г

Публикации по теме исследования. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных трудах

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, иллюстрирована 4 фотографиями и 25 рисунками Список литературы включает 50 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы диссертации, научная новизна, дана общая характеристика работы, указанны применяемые

методы исследований, излагается краткое содержание и формулируется цель работы

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведены результаты предшеынующих исстедований по изучению напряженно-деформированного состояния при пробивке и вырубке, а также существующие способы повышения качеств? деталей, получаемых при выполнении этих операций На основе предшествующих исследований в соответствии со схемой разрушения пластичного металла можно представить, что процессы резки, пробивки и вырубки штампами протекают в три стадии следующим образом (рис 1)

Рис 1 Схема пробивки металла Ш1ампом и образующееся при этом напряженно-деформированное состояние (о— напряжения, е—деформации)

Первая стадия — упругая деформация и начало пластической деформации, пуансон вначале производит сжатие металла, появляется упругий прогиб, и металл слегка выдавливается в отверстие матрицы

Вторая стадия — развитие пластической деформации, вблизи режущих кромок пуансона и матрицы создается концентрация напряжений, которая вызывает течение металла и образование зоны смятия Это местное смятие будет развиваться до тех пор, пока по всей толщине металла не возникнут напряжения, достаточные для возникновения линий скольжения, которые в свою очередь, образуют узкую пластическую зону в виде параллелепипеда (при отрезке) или объемное кольцо (при вырубке круглых деталей) В

результате этих явлении развивается деформация сдвига, сопровождаемая изгибом и растяжением волокон, особенно при большом зазоре (свыше 20% дтя материаюв толщиной до ¡0 мм), вплоть до начала образования скалывающих трещин

Третья стадия — разделение металла, при дальнейшем опускании пуансона в момент, когда давление ею будет соответствовать максимальному напряжению — сопротивлению срезу (сдвигу), в металле у режущих кромок штампа появляются скалывающие трещины, после чего происходит полное отдечение вырубаемого (пробиваемого) контура

Так как пуансон имеет меньшие размеры, чем матрица, образуется й зазор В случае нормального зазора между пуансоном и матрицей скатывающие трещины, возникающие у режущих кромок пуансона, совпадают со скалывающими трещинами, возникающими у режущих кромок матрицы На рис 2 приведена схема распределения напряжении при пробивке отверстий, установленная оптическим методом, на которой изображены тинии равных по величине напряжений Численные значения напряжении (в кг/см') увеличиваются по направлению к режущим кромкам, так что непосредственно у режущих кромок концентрируются максимальные касательные и нормальные напряжения, превосходящие прочность материала и вызывающие образование скалывающих трещин

Рис 2 Распределение напряжении в материале при пробивке отверстий поЕ Баху

- нормальные сжимающие напряжения,

.....— касатетьное скалывающие напряжения

----траектория наиботьших норма ¡ьных напряжении,

---—траектория напботыиих касательных напряжении

В результате действия нормальных напряжений происходит местное изменение структуры метал та, что подтверждается металлографическим исследованием макро- и микроструктуры

Показано, что для улучшения качества отверстия (точности размеров, чистоты поверхности ее качества) используют лорновапис отверстий, что является разновидностью операции калибровки, где в качестве инструмента используются специальные дорны Процесс заключается в проталкивании инструмента через обрабатываемое отверстие, имеющее меньшие размеры При этом происходит смятие гребешков поверхности, упругая деформация всею изделия и пластическая деформация металла у поверхности отверстия

Наиболее часто используются следующие способы повышения качественных характеристик

При комбинированной пробивке используется пуансон, имеющий ступенчатую форму Матрица остается такой же, как при обычной пробивке Нижний торец пуансона образует с матрицей максимальный зазор, верхний торец - минимальный зазор

Пробивка отверстия и его зачистка осуществляется за один рабочий ход Сначала пуансон с торцем минимального диаметра производит предварительную пробивку отверстия с большим зазором, что приводит к образованию значительной утяжины, узкой зоны блестящего пояска и большой зоны растяжения Затем конусообразная часть пуансона внедряется в отверстие и создает радиальное сжатие

Процесс калибровки отверстий обратной отбортовкой, используется для деталей типа колец или крупногабаритных изделий Пробивка осуществляется при нормальных для данного металла и толщины заготовки зазорах так, чтобы избежать образования заусенцев, двойных сколов

Показаны другие процессы и способы изменения конструкции инструмента калибровка отверстия осадкой выдавленного материала, способ телескопического непрерывного направления пуансонов и др

Большинство деталей, получаемых обычной вырубкой имеют неудовлетворительное качество поверхности среза Поэтому возникает необходимость дополнительной обработки чаще всего на металлорежущем оборудовании, что ведет к резкому увеличению стоимости деталей, дополнительным затратам рабочего времени, инструмента, оборудования

Во избежании этого применяется чистовая вырубка деталей По механизму образования чистой поверхности все способы чистовой вырубки можно объединить в три группы

1- удаление припуска (зачистка),

2- пласшческое деформирование припуска.

3- чистовая вырубка с изменением напряженного состояния в зоне среза Зачистка деталей смятием припуска может производиться как по

наружному, так и по внутреннему контурам Она применяется для получения перпендикулярной, чистой и гладкой поверхности среза, повышенной точности формы и размеров контура и отверстий Величина припуска на зачистку зависит в основном от толщины и рода материала, контура детали, а также от конструкции загрузочшмо устройства

Величину припуска на диаметр или на обе стороны зачищаемой детали для материалов толщиной 0,5-10,0 мм берут в следующих пределах для латуни и мягкой стати; = 0,10-0,40 мм при зазоре вырубного штампа 0,05 -0,07)5, для стали средней твердости у - 0,15 - 0,50 мм при г~(0,09-0,11)5, для твердой стали у = 0,15-0,60 мм при z = (0,12-0,15)i

При многократной зачистке припуски распределяют так на первой зачистке 60%, на второй — 25—30%, на третьей —15—10% от общего припуска, принятого для многократной зачистки Заготовку в зачистном штампе следует укладывать на матрицу широкой (закругленной) частью вниз т е зачистку производят в том же направлении, что и вырубку, зачистную матрицу изготовляют с цилиндрическим пояском высотой h = 6-8 мм и Ra 0,16—0,10

Для твердой стали лучшая шероховатость поверхности получается при небольшом закруглении матрицы радиусом 0,2— 0,3 мм

Зазор между матрицей и пуансоном зачистного штампа берут в пределах 0,008—0,010 мм независимо от толщины и рода материала

Шероховатость поверхности среза при этом способе зачистки достигает для латуни Ra 0,63—0,32, для мягкой стали Ra 1,25— 0,50, для твердой стали Ra 2,50—1,25 Точность штамповки - 3-2-й классы точности Увеличение в размерах деталей после выхода из матрицы при этом способе зачистки и острых режущих кромках штампов ничтожно — оно составляет 0,005 мм, при заваленных режущих кромках — 0,020—0,025 мм

Способы зачистки (рис. 3-5): зачистка деталей по наружному контуру пуансоном меньше матрицы, зачистка наружного контура пуансоном больше матрицы, зачистка наружного контура обжатием, одновременная вырубка с зачисткой наружного контура двумя вертикально расположенными матрицами, зачистка деталей по внутреннему контуру срезанием припуска (калибровка).

о) Ь) Ю

Рис. 3. Схема зачистки снятием припуска

Рис. 4. Вырубка с зачисткой двумя вертикально расположенными одна над другой матрицами

Рис. 5. Процесс образования стружки при зачистке отверстия (калибровке)

Помимо зачистки в качестве отдельной операции стали применять полировку в штампах (рис. 6). Она проводится после зачистки снятием припуска для сглаживания всех вертикальных рисок и горизонтальных полос, которые могли образоваться при зачистке деталей и отверстий из сравнительно твердых металлов — стали и латуни. Наружная полировка производится прогонкой зачищенной детали через матрицу с обратным конусом (около 1°), переходящим затем в цилиндр.

-"ХЗ,

г-о

в

ЙИ вив

е

Т

Рис. 6. Формы матрицы и пуансона (а) плоский пуансон, б) наклоненный пуансон, в) пуансон с углублением, г) пуансон с режущими кромками, д) резкая матрица, е) вогнутая матрица.

Полировка отверстий осуществляется пуансоном с закругленными рабочими кромками радиусом, равным толщине материала.

В некоторых случаях используют вырубку с дополнительным сжатием .материала заготовки в радиальном направлении в штампе с клиновыми ребрами (рис. 7).

Недостаток: клиновые ребра увеличивают расход материала, так как перемычки между деталями и боковые перемычки при чистовой вырубке несколько больше, чем при обычной вырубке, и составляют от 1,5 до 2 толщин материала.

Достоинство: для получения качественных деталей при чистовой вырубке должны соблюдаться определенные требования по наименьшему расстоянию отверстий или пазов от края детали, а также минимальные диаметры пробиваемых отверстий.

а) б) в) г)

Рис. 7. Схема пробивки с дополнительным сжатием в радиальном направлении: а) исходное положение; б) предварительный изгиб заготовки; в) сжатие заготовки в зоне среза: г) отделение изделия

При вырубке с предварительным изгибом заготовка укладывается на матрицу, рабочие торцы которой выполнены под углом ' ¥ ' к горизонтальной плоскости. Аналогичный наклон имеет торец прижима. Прижим изгибает заготовку по сферической поверхности, обращенной вершиной к торцу вырубаемого пуансона (рис. 7,6), а пуансон, опускаясь, стремится выпрямить изогнутую заготовку, создавая при этом сжимающие напряжения в зоне среза (рис. 7, в). После этого производится чистовая вырубка.

Усилие чистовой вырубки (исключая усилие прижима) с использованием изгиба заготовки практически не отличается от усилия обычной вырубки.

Качество получаемой поверхности соответствует 6^-8 классу шероховатости.

Этот способ применим для изготовления симметричных деталей, а также для чистовой пробивки отверстий.

Анализ существующих способов повышения точности и чистоты поверхности отверстий свидетельствует о том, что поставленные ели в настоящее время достигаются при дополнительной обработке, что ведет к снижению производительности, увеличению количества оснастки, росту стоимости производства.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ изложены результаты предшествующих теоретических исследований процессов разделения материалов В этой главе показаны результаты я их анализ по каждому предшествующему теоретическому исстедованию, принятые допущения, расчетная схема, исходные уравнения и результаты

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматривается использование метода характеристик при анализе процессов обравотки металлов давлением

Многочисленные исследования показали, что сдвигающее (касательное) напряжение, необходимое для начала пластической деформации скольжения дтя данного металла, при данной температуре и скорости деформации ас ль величина постоянная, не зависящая от ориентировки плоскостей скольжения относительно действующих на тело сил Процессы внутрикристаллнтной деформации являются основными процессами, обусловливающими изменение формы металла Межкристаллитная деформация играет значительно меньшую роль

Пластическая деформация приводит к значительному изменению свойств металла увеличиваются показатели сопротивления деформированию (пределы упругости, пропорциональности, текучести и прочности) Одновременно с этим наблюдается уменьшение показателей пластичности (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) Совокупность явлений, связанных с изменением свойств металчов в процессе пластической деформации, называется упрочнением

Известно, что линии скольжения представляют собой траекторию главных касательных напряжений Метод линий скольжения состоит в построении сетки (поля) линий скольжения и использовании их свойств

В тех случаях, когда знаки главных нормальных напряжений различны, условия пластичности Сен-Венана и интегралы Генки для плоского напряженного и плоского деформированного состояния совпадают Применяя к анализу напряжений, возникающих в деталях сложной формы, методы внутренней геометрии поверхностей, мы получаем естественное обобщение теории линий скольжения на случай пространственных форм Вместо плоских чиний скольжения появляются пространственные линии скольжения, а вместо прямых — геодезические линии поверхности Естественным обобщением у па

поворота линий является геодезический поворот пространственной линии скочьжения

Общая теория линий скольжения и геометрические соотношения рассмотренные позволяют графическим путем строить полч линий скольжения В частности, графические методы успешно применяются лля решения задач объемной штамповки Графические методы применяются также в статике сыпучих тел

Ниже рассматриваются различные графические способы построения полей линий скольжения с учетом граничных условий конкретных задач

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматриваются теоретическое исследование процесса пробивки разделения листовых заготовок, способа вырубки-пробивки на пуансоном с плоским торцом и ступенчатым пуансоном, совмещение механической обработки и обработки давлением влияние концентраторов на механизм разделения, анализ процесса пробивка пуансоном с плоским торцом и анализ процесса пробивка ступенчатым пуансоном Пробивка пуансоном с плоским торцом (рис 8)

Для анализа процесса вырубки-пробивки используем уравнения Генки, Исходные уравнения

уравнения линий скольжения

линия a Q--X= £ = const,

dx ь Ik

линия ß — —ctg ß, — + в = £ = const dx 2 к

Таким образом, гидростатические давления равны для линии а а = 2+S ),

для линий ß а = -в ) Возможное поле линий скольжение (рис 8) состоит из следующих участков

1,3 - пластические зоны растяжения в результате изгиба, 2,4- пластические зоны тангенциального сжатия, 9 - зона сдвига

Рис 8 Линии скочьження при пробивке п\ансоно\1 с плоским торцом

К угловым треугольным примыкают центрированные поля 5, 6, 7, 8 Зона сдвига соединяется с угловыми центрированными полями в точках С, А Е, F

В зонах одноосного равномерного растяжения 1, 3, примыкающая к свободным поверхностям AG и ВМ напряжения растяжение равны 2к , в зоне одноосного равномерного сжатия 2,4 напряжение равно -2к

Центральная область 9 - область равномерного сдвига с путевым давлением а

В зоне растяжения 1

в = т/4, <5 = к

Из интегралов Генки следует, что

1 я

t =---= const

2 4

В зонах сжатия 3

в = ~тг. а = -к 4

Используя интегралы Генки, получим

' 3

q-----7Г = const

2 4

Вдоль чинни АС, совместно с линией а поля 1 ограничивающей центрированную область 5

! к

2 4

Угол в для линий АС равен

где 7- угот центрированного поля 5 В соответствии с интегралом Генки получим

Аналогично, на линии BD

-я---/,

4

а = -k (1 -Г 2 7)

Определим параметры г) На линии АС

4 = £L+0 = I+£+27

2k 2 4'

На линии BD

= - -+ - тг-27

2 4

Так как линия ACDB является непрерывной линией скольжения /3, для которой 7] = const, то

1 -t- £ +2т=- -->- - 7Г- 27

2 4 2 4 '

л- 1

и, следовательно, 7=---

8 4

Гидростатическое давление на линии ACDB равно ff = (r?-0)2/fc =-

То есть сильное гидростатическое растяжение, снижающее пластические свойства и ведущее к хрупкому разрушению

На линии A CDB а= — к 1

Касательное напряжение a Xi = к cos 28 На АС

а К . Л , ,Т I 3 1

в - — + У= —+---= _7г-_

4 4 8 4 8 4

а - к cos 2 - т- ~ - ктч (- т. 2-vi - п рл i-8 4 "" v4

На BD

в-Л тг-7= 2 7Г- -+ -= - 1Г+ ~ =2,21, 4 ' 4 8 4 8 4

ffu =0,% к,

7= 1=0,14, cos 7= 0,99 ' 8 4

Проекция касательного напряжения на АС и DB на ось х с„ =0,95 А

Пробивка ступенчатым пуансоном (рис 9)

Рис 9 Линия скольжения при пробивке ступенчатым пуансоном

В дОАВ - равномерное сжатие а(= -2к о-к поворот линии (3 на угол ж Давтение на пуансон по линии ОБ а=-2к{ 1 +тг)

Среднее давление а = -I- {] + -л-) В &OED-

в = - ,о, = -к( 1 t-ir) 4

П - > iflfl 1 ТТ /Г 13

Для линии a t = const = —1- - у =------=---- тг

2к 22424

гг «о » I о 1 /Г , Я 1 /Г

Для линии р я = const = —1 + в =----=----.

2к 2 2 4 2 4

На пересечении линии ОС и линии (3

<т„ , Я- 1л-

_!>.+---у =----= const

2к 4 2 4

Среднее давтение на линии ОС (в = ~ 7)

1 I Я ,

—2-=--+ _+ 7

2к 2 2'

По линии ОС (линии а)

^ - в = const = - -+^+7- £+7=- -+—+2 7 2к 2 2 ' 4 2 4 '

В bSLGo='2k,a = -k,6=- тг

4

тг ^ >. сг л 1 я- яг 1 3

Для линии а | = const = - - в -------=---- тг

2к 2 2 4 2 4

гг "О » О" , л 1 7Г , Г 1,3

Для ЛИНИИ в 71 = const = — + 0 =----+ — =--+ - 7Г

2к 2 2 4 2 4

На пересечении линии /3 и линии 57V (#= ~ 7Г + 7)

По ЛИНИИ в ^- + -7Г+7~-+-ТГ 2к 4 '24

51 = I 2к 2 ~7'

На и линии S7V (линии а) £ = const,

г- - ^ а 1 3 ! 3 о

е=--0 =----у._х-7=— - - 7Г- 27

2к 2 4 2 4

Так как линия OCNS - непрерывная линия or , то £ = const.

+ — + 2у = — - - 7г - 2у. 4 ' 2 4

4у=- т,

я

Гидростатическое давление на линии OCSN (линии а): <70 _ ! л л _ 1 к 2к 2 7 2 4'

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты экспериментальных исследований процесса пробивки листовых заготовок с концентратором, условия выполнения экспериментов и экспериментальная оснастка, приведена схема штампа и использованная оснастка. На рис. 10 показана зависимость условного напряжения среза от глубины концентратора Ь) при различных толщинах заготовок.

Рис. 10. Зависимость аср пробивки от Ь; и S

Примеры экспериментальных зависимостей приведены на рис.11-13.

с1тах-с!т[п}

глубина концентратора (И1,мм)

Рис. 11. Зависимость бочкообразности отверстия от глубины концентратора со

стороны пуансона

Зависимость конусности отверстия от гпубины концентратора со стороны

конусность (й<1/й)

Рис. 12. Зависимость конусности отверстия от глубины концентратора со стороны

пуансона

глубина концентратора

Рис. 13. Зависимость конусности отверстия от глубины концентратора со стороны

матрицы

На рис. 14 приведен пример профилограммы. снятой с длиной трассы [ интегрирования 1,6 мм вдоль оси отверстия.

I

0.1 0.2 0,3 0А 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 1,1 1.2 1.3 14 1.5 1.6 1.7 18 мь

Рис. 14. Средние значения шероховатости для гладких участков по пяти измерениям: Кг = 6,96 мкм. На = 1,26 мкм

конусность Mis)

16 1 4 1 ? 1

0.8 0.6 0.4 0.2

у= -2.1297Ln(x)+ 1.5

0.1603ln(x) - 1Е-17

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Существующие способы чистовой пробивки требуют сложной технологической оснастки, трудоемки и не обеспечивают высокого качества отверстий

Предложенный способ пробивки при высоком гидростатическом давлении позволяет использовать упрощенную штамповую оснастку Высокая точность подгонки пуансона и матрицы не требуется В одном комплекте инструмента можно пробивать отверстия в заготовках различной толщины

2 Положительные результаты способ дает при пробивке отверстий в заготовках как из пластичных, так и из хрупких материалов Эффективность предлагаемого способа подтверждается высоким качеством отверстий пробитых в малопластичном свинцово-цинковом литейном сплаве

3 Предлагаемый способ позволяет улучшить практически все параметры процесса чистоту поверхности, конусность, бочкообразность, наличие утяжин, и может быть рекомендован для чистовой пробивки отверстий в толстолистовом материале

4 При оптимальных условиях способ обеспечивает следующие параметры качества отверстия

-конусность уменьшена до 0,0062, бочкообразность уменьшена до 0,162

-шероховатость поверхности соответствует Яа =1,26 - 2,5 мкм и Яг =6,9 мкм Способ пробивки с использованием концентраторов обеспечивает 8-9 квалитет отверстия по ГОСТу 25347-82, что значительно точнее, чем при использовании существующих способов

5 Способ может быть использован при выполнении заклепочных и болтовых соединений в конструкциях современных ЛА Способ чистовой пробивки отверстия с концентраторами может повысить качество соединений

Основпое содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1 Хтайк С.В Совмещение операций механической обработки и штамповки при пробивке чистовых отверстий. / XXXII «Гагаринские чтения» Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции - M • МАТИ, 2006 с.26.

2 Хтайк СВ. Чистовая пробивка при повышенном гидростатическом давлении / Новые материалы и технологии - НМТ-2006 Материалы всероссийской научно-технической конференции. Москва, 21-23 ноября 2006 г В 3 томах. Т 2. - М.: ИЦ МАТИ, 2006. с. 44

3 Хтайк С В Совмещение операций механической обработки и штамповки при пробивке чистовых отверстий. / Научные труды МАТИ Выпуск 11 (83) - М.. ИЦ МАШ, 2006 с. 136

4 Хтайк C.B. Чистовая пробивка отверстий в листовых заготовках при повышенном гидростатическом давлении Актуальные проблемы российской

___________ * Jt___________VW _ - - -________~ •» г

ллдлтд1ш»1шш iViaiCpHOJlbl АЛЛ ЛКОДСМИЧССКИЛ Ч1СНИИ но KUCMUHdBlИКС ÍVI ,

МГТУ 2006. с. 446

5. Хтайк C.B. Чистовая пробивка в толстолистовом материале при создании концентратора. / XXXIII «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции - M : МАТИ, 2007. с. 36

6 Хтайк C.B. Чистовая пробивка толстолистового материала с предварительным созданием концентраторов напряжений / Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, № 2,2008 с 24.

7 Хтайк С В Анализ способа вырубки-пробивки показать изменение усилия при внутрении пуансона на различную глубину. / XXXIV «Гагаринские чтения» Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции -M. МАТИ, 2008 с 236

8. Хтайк С В Чистовая пробивка толстолистового материала с предшествующей механической обработкой / Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXII Академических чтений по космонавтике Москва, январь - февраль 2008 г / Под общей редакцией А К Медведевой. M • Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2008 с 505

Подписано в печать 2008

Формат 60x84 ¡/16 Печать на ризографе Объем 1 печ л Тираж 100 экз Заказ №

Отпечатано в типографии издательского центра МАТИ 109240, Москва, Берниковская наб, 14

Введение

Глава 1. Существующие способы повышения качества деталей, получаемых вырубкой и пробивкой

1.1. Использование классных отверстии в конструкции летательных аппаратов.

1.2. Изменение напряженно-деформированного состояния при вырубке-пробивке.

1.3. Изменение конструкции инструмента

1.4. Использование дополнительных операций

Выводы

Глава 2. Результаты предшествующих теоретических исследований процессов разделения материалов

2.1. Классификация операций разделения,.

Выводы

Глава 3. Использование методы характеристик при анализе процессов обработки металлов давлением

3.1. Свойства линий скольжения.

3.2. Методы построения полей линий скольжения

3.3. Примеры анализа основных процессов ОМД на основе метода характеристик

Выводы

Глава 4.Теоретическое исследование процесса пробивки разделения листовых заготовок

4.1. способа вырубки-пробивки на пуансоном с плоским торцом и ступенчатым пуансоном.

4.2. Совмещение механической обработки и обработки давлением влияние концентраторов на механизм разделения

4.3. Анализ процесса пробивка пуансоном с плоским торцем

4.4, Анализ процесса пробивка ступенчатым пуансоном

Выводы

Глава 5. Экспериментальное исследование процесса (вырубки-пробивки) листовых заготовок с концентратором

5.1. Условия выполнение экспериментов и экспериментальная оснастка

5.2. Используемые оснастка и оборудование

5.3. Результаты экспериментов

Выводы

Литературы.

Актуальность проблемы. В конструкции летательных аппаратов широко используются заклепочные и болтовые соединения. Болтовые соединения являются одним из наиболее широко применяемых видов механических точных соединений. В конструкции тяжелого самолета их число достигает 150.200 тыс. штук. К технологическим факторам, определяющим ресурс заклепочных и болтовых соединений, относятся:

- точность выполнения отверстий;

- качество поверхностного слоя отверстий;

- степень точности выполнения заданных осевых и радиальных натягов;

-состояние контактных поверхностей.

В настоящее время получения качественных отверстий осуществляется чаще всего механической обработкой (сверлением в несколько переходов, зенкерованием, развертыванием или протяжкой). Поэтому трудоемкость обработки отверстий весьма высока. Более высокая производительность труда обеспечивается при использовании процесса пробивки. Однако процесс пробивки, в свою очередь, обладает недостатками: или не обеспечивается требуемое качество отверстия, или требуется сложное специальное штамповое оснащение. Поэтому разработка новых способов пробивки отверстий, обеспечивающих требуемое качество при использовании простой оснастки, является актуальным.

Вырубка и пробивка, являясь разделительными операциями, завершаются разрушением металла в очаге деформации. Процесс пластической деформации заготовки, происходящий в начальных стадиях деформирования, является сопутствующим, обычно не желательным, но неизбежным для пластичных материалов. Разделение заготовке в операциях вырубки осуществляется путем относительного смещения смежных частей заготовки в направлении толщины заготовки. Чтобы локализировать пластическую деформацию вблизи поверхности раздела, кромки пуансона и матрицы делают острыми, а зазор между пуансоном и матрицей небольшим (значительно меньшим толщины заготовки).

Распределение напряжений и деформаций в очаге деформации характеризуется значительной неравномерностью как в направлении, перпендикулярном к срединной поверхности, так и вдоль поверхности, что делает задачу трудной, и замкнутые решения могут быть получены лишь при значительных допущениях. Характер допущений и принимаемая модель деформирования должны определяется в связи с задачами исследования. Так, например, отыскание поля напряжений в очаге деформации может быть осуществлено решением плоской задачи с привлечением метода характеристик при принятых условиях на контуре.

Цель работы: Повышение производительности труда и упрощение технологического оснащения.

Указанная цель может быть достигнута при использовании разработанного и исследованного нового способа чистовой пробивки отверстий на прессах простого действия, совмещающего последовательно выполняемые на одном рабочем месте операции механической обработки и обработки давлением. Повышение качества пробиваемых отверстий обеспечивается при создании высоких гидростатических давлений в результате нанесения концентратов на поверхности заготовки.

Научная новизна. В работе предложен и исследован новый способ создания высокого гидростатического давления в зоне среза путем увеличения усилия пробивки в результате предотвращения образования скалывающих трещин со стороны матрицы и увеличения объема материала заготовки, вовлекаемого в пластическую деформацию благодаря наличию концентраторов в зоне отверстия.

Концентраторы выполняются предварительно с использованием инструмента типа центробора или трубчатой фрезы, выполняющей и функции пуансона.

Исследован механизм разрушения материала заготовки в зоне отверстия при использовании пуансонов с плоским и ступенчатым торцем.

При использовании метода линий скольжения получены поля и аналитические выражения, позволяющие оценить напряженное и деформированное состояние при срезе, а также положение поверхности среза, что оказывает значительное влияние на качество пробивки.

Разработана конструкция штампа, в котором образование концентраторов и пробивка осуществляются за один ход пресса, что обеспечивает высокую производительность процесса. В зависимости от предъявляемых требований концентраторы могут выполняться на одной или на обеих поверхностях заготовки.

Установлено, что механизм отделения отличается от традиционного. Если при обычной пробивке у режущих кромок пуансона и матрицы появляются трещины, которые растут и соединяются, что и является причиной разделения, то в предлагаемом способе разделение происходит в результате сдвига одной части заготовки относительно другой, чему предшествует значительная пластическая деформация.

Пробивка отверстий в листовом материале с использованием инструментальных штампов сопряжена с рядом недостатков (большой шероховатостью поверхности пробитого отверстия, бочко образностью и конусностью, наличием заусенцев и утяжин по кромкам отверстия и др.). Указанные недостатки ведут к снижению усталостной прочности, необходимости введения дополнительных операций (зенкерования, развертывания, дорнования и др.) в особенности при получении классных отверстий. В диссертации исследован новый способ чистовой пробивки отверстий на прессах простого действия, позволяющий получить высококачественную поверхности разделения металла.

Новый способ пробивки позволяет избежать перечисленных недостатков, путем последовательного выполнения совмещенных процессов механической обработки и обработки давлением. Суть предложенного способа заключается в повышении величины гидростатического давления в зоне пробивки при исключении контакта режущих кромок матрицы с заготовкой. Последнее обеспечивает предотвращение образования скалывающих трещин со стороны матрицы благодаря наличию концентраторов в зоне отверстия. Результатом является повышение качества пробиваемых отверстий. С этой целью на заготовке с помощью трубчатой фрезы с одной или обеих сторон наносятся кольцевые проточки (концентраторы), наружный диаметр которых равен диаметру пробиваемого отверстия. Пробивка осуществляется или пуансоном обычной конструкции, или самой трубчатой фрезой. Функции матрицы (плиты с отверстием) сводятся лишь к восприятию усилия пробивки и удалению отхода, так как задачу сопряженного с пуансоном инструмента выполняет сама заготовка. Функции пуансона также изменились. Пуансон требуется лишь для' передачи усилия пресса в зону разделения. Поэтому требования по точности изготовления, предъявляемые обычно к вырубному штампу, 'отсутствуют. Основное требование - диаметр пуансона не должен быть больше диаметра отверстия. Так как момент отделения наступает при достижении больших усилий при значительном внедрении пуансона в заготовку, в зоне среза создается большое гидростатическое давление, что приводит к существенному повышению качества поверхности.

При создании концентратора со стороны пуансона предотвращается образование утяжин. Достоинством предлагаемого способа пробивки также является отсутствие требований по точному сопряжению пуансона и матрицы. В некоторых случаях функции матрицы может выполнять плита из конструкционной стали с отверстием, диаметр которого много больше диаметра пуансона.

Основными факторами, влияющими на результаты операции, являются относительная глубина концентраторов, расположение и форма, относительный диаметр отверстия.

На основании экспериментального изучения характера деформирования при пробивке определены основные силовые и качественные параметры чистовой пробивки при различных формах и глубине концентраторов напряжений, а также разных диаметров пуансона. Результаты работы могут быть использованы при разработке оптимального процесса чистовой пробивки отверстий в толстолистовом материале.

Основные научные результаты. На основании теоретического и экспериментального изучения характера деформирования при пробивке определены основные параметры чистовой пробивки при различных формах и глубинах концентраторов, а также разных формах режущей кромки пробивного пуансона.

Впервые при анализе процесса пробивки -получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать положение поверхности разделения и, следовательно, качество отверстия.

Достоверность результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, основанного на интегралах Генки, апробированных методов технических измерений и удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с предсказанными теоретическими исследованиями.

Практическая ценность работы. Разработан и исследован новый процесс получения качественных отверстий при последовательном выполнении операции механической обработки и обработки давлением. Установлено, что новый процесс имеет высокую производительность, низкую стоимость благодаря использованию простой оснастки и обеспечивает высокое качество отверстий. Благодаря наличию концентраторов устраняется утяжина со стороны пуансона и заусенцы со стороны матрицы. Так как момент отделения наступает при достижении больших усилий при значительном внедрении пуансона в заготовку, в зоне среза создаются большие гидростатические давления, что приводит к существенному повышению качества поверхности.

Разработана конструкция штампа, позволяющая совместить операции механической обработки и пробивки при использовании прессов простого действия.

Апробация работы. Основные результаты диссертации апробированы на Международной молодежной конференции «XXXII Гагаринские чтения» в 2006 г., «XXXIII Гагаринские чтения» в 2007 г., «XXXIV Гагаринские чтения» в 2008 г.

Публикации по теме исследования. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, иллюстрирована 4 фотографиями и 25 рисунками. Список литературы включает 50 наименований.

Общие Выводы

При создании концентратора со стороны пуансона предотвращается образование утяжин. Достоинством предлагаемого способа пробивки является отсутствие требований по точному сопряжению пуансона и матрицы. В некоторых случаях функции матрицы может выполнять плита из конструкционной стали с отверстием, диаметр которого много больше диаметра пуансона.

Эксперименты проводились на алюминиевых сплавах Д16Т, Амг5, АМгб. Толщина заготовок колебалась в диапазоне 4- 20 мм при диаметре концентраторов 10- 20 мм. Минимальная относительная величина диаметра отверстия определяется лишь прочностью и устойчивостью пуансона. Положительные результаты были получены на заготовках из разных материалов. Пробивка при оптимальных режимах (глубине и ширине концентраторов, их расположении, скорости деформирования, смазке) обеспечивала точность отверстий 2-3 классов и чистоту поверхности отверстий, соответствующую чистому шлифованию. Бочкообразность и конусность отверстий практически отсутствовали. Установлено, что материалы с большей пластичностью менее чувствительны к отклонениям режимов от оптимальных.

На основании экспериментального изучения характера деформирования при пробивке определяются основные силовые и качественные параметры чистовой пробивки при различных формах и глубине концентраторов напряжений, а также разных диаметров пробивного пуансона. Результаты работы могут быть использованы при разработке оптимального процесса чистовой пробивки отверстий в толстолистовом материале.

Предложенный способ пробивки при высоком гидростатическом давлении позволяет использовать упрощенную штамповую оснастку. Высокая точность подгонки пуансона и матрицы не требуется. В одном комплекте инструмента можно пробивать отверстия в заготовках различной толщины.

1. Барвинок В.А, Богданович В.И, Бордаков П.А, Пешков Б.П, Желтов И.Н, Докукина И.А. Сборочные, монтажные и испытательные С23 процессы в производстве летательных аппаратов: - М.: Машиностроение, 1996. 576 с.

2. Безухов Н. И. Основы теории упругости и пластичности. М., Высшая школа. 1961,537 с.

3. Березин Б.И. Материаловедение полиграфического производства, 2 изд., М.,1972.

4. Борисов В.Г. Процессы изготовления тонкостенных деталей самолетов методами пластического формообразования. Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. унта, 2004. 236 с.

5. Братухин А.Г, Иванов Ю.Л, Марьин Б.Н и др.; Под ред. А.Г.Братухина, Ю.Л.Иванова. Современные технологии авиастроения. М. Машиностроение 1999, 832 с.

6. Волошин И.Н. Обеспечение точности обводов клепаных агрегатов самолетов. М. Машиностроение, 1979. 152 с.

7. Голушкевич С. С. Плоская задача теории предельного равноверсия сыпучей среды. Л. М., Гостехиздат, 1948,148 с.

8. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов. М.: Машиностроение, 1970.- 351с.

9. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов. 2-е изд. Перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1981 - 224 с.

10. Государственный стандарт союза сср. ГОСТ 16718-71

11. Григорьев В.П. Сборка клепаных агрегатов самолетов и вертолетов: Учеб.пособие. М.: Машиностроение. 1975. 344 с.

12. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М., «Металлургиздат», 1947. 532 с.

13. Джонсон В., Кудо X. механика процесса выдавливания металлов М.: «Металлургия», 1965.- 174 с.

14. Ершов В. И, Попов О. В, Чумадин А. С и др. Листовая штамповка: Расчет технологический параметров. М.: Изд-во МАИ, 1999. - 516 с.

15. Ершов В.И. и др. Штамп для чистовой пробивки отверстий. Авт. Св. № 1225645

16. Житомирский Г.И. Конструкуия самолетов. Москва.: Машиностроение, 1991.395с.

17. Знаменский Л.Ц. Справочник металлиста II. Машиностроение и металлообработка. Ленинград-1933. Москва.

18. Иванов П. А. Исследование пластического трения при больших контатных давлениях. Сб. «Расчеты процессов пластического формоизменения металлов». АН СССР, М. 1962, 83с.

19. Ивлев Д. Д. К теории плоской деформации упрочняющегося пластического материала. Прикл. мат. и мех. т. XXIV, в. 4, 1960.

20. Ильюшин А. А. Пластичность Л.—М., Гостехиздат, 1948, 367 с.

21. Казаков Ю. П. Нанесение координатной сетки на листовых заготовках перед штамповкой. «Кузнечно-штамповочное производство», 1960, №8.

22. Качалов Л. М. Основы теории пластичности. М., Гостехнздат, 1956,324с.

23. Михаленка Ф. П, Гулиев А. И. Определение интенсивности напряжений и деформаций в пластической области при вырубке-пробивке тонколистового металла. «Кузнечно-штамповочное производство», 1988, №6.

24. Михлин С. Г. Современное состояние математической теории пластичности. Успехи математических наук. вып.III. М., 1936.

25. Норден А. П. Краткий курс дифференциальной геометрии. Физ-матгиз, М. 1958. 244 с.

26. Попов Е. А. Общая методика анализа формоизменяющих операций листовой штамповки при осесимметричном деформировании. Сб. «Основы теории обработки металлов давлением», М., Машгнз, 1959, 539 с.

27. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М., «Машиностроение», 1977-275 с.

28. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке, — 6-е изд.,перераб и доп. —Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1979. 520с.

29. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. -М.: Машиностроение, 1968.- 272 с.

30. Соколовский В. В. Теория пластичности. Гостехиздат. 1950, второе изд., Москва, 396 с.

31. Соловцов С. С. Безотходная разрезка сортового проката в штампах. М., Машиностроение. 1985г. 172с.

32. Справочник конструктора штампов. Листовая штамповка. Под общей редакцией Л.И.Рудмена. Москва., Машиностроение, 1988г. 495с

33. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. М., «Машиностроение», 1979 - 215 е., ил в пер.: 1 р.

34. Соколовский В. В. О давлении пластической среды на плоский штамп. Прикл. мат. и мех. т. IV, вып. 5—6, 1940.

35. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. И доп.М., Машиностроение, 1977. 423с.

36. Тарновский И. Я, Поздеев А. А., Ганаго О. А. Деформации и усилия при обработке металлов давлением. Машгиз, Москва—Сверл-1959, 304 с.

37. Томленов А. Д. Вопросы теории вытяжки деталей сложной формы. «Вестник машиностроения», 1958, № 1.

38. Томленов А.Д. Об особенностях расчета напряженного состояия, возникающего при ковке плоскими бойками. «Вестник машиностроения», 1959, Лг 3.

39. Томленов А. Д. Механика процессов обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.

40. Томленов А. Д. Механика процессов обработки металлов давлением. М., Машгиз, 1963, 235 с.

41. Томленов А. Д. Теория пластических деформаций металлов. Машгиз, М. 1951, 199 с.

42. Томленов А. Д Об особенностях расчета напряженного состояния, возникающего при ковке плоскими бойками. «Вестник машиностроения», 1959, № 3.

43. Томленов А. Д. О величине усилия осадки стальных слитков. Сб. «Автоматизация машиностроительных процессов», АН СССР, М. 1959,394 с.

44. Томленов А. Д. Определение усилий и напряжений метолом линий скольжения. Сб. «Основы теории обработки металлов давлением», М., Машгнз, 1959.

45. Томленов А. Д. Об одном свойстве линий скольжения. Сб. «Вопросы прочности материалов и конструкций», АН СССР, М. 1959.

46. Томленов А. Д. О растягивающих напряжениях в металле при ковке и поперечной прокатке. Сб. «Исследования в области обработки металлов давлением», М., АН СССР, 1960,66 с.

47. Третьяков Е. М. О калибровке плоских заготовок и детален. «Кузнечно-штамповочное производство», 1962, № 4.

48. Третьяков Е. М., Луговской В. М. Упруго-пластическое сжатие тонкой полосы между плоскими жесткими штампами. Сб. «Расчеты процессов пластического формоизменения металлов», АН СССР, М. 1962,83 с.

49. Унксов Е. П. Инженерная теория пластичности. Машгиз, М. 1959.

50. Хмара С.М, Коломойцев А.Д, и Смоляников В.П. Определение требуемой толщины нижней плиты штампа. Кузнечно-штамповчное производство. № 4,1966г.

51. Шофман Л. А. Основы расчета процессов штамповки и прессования. Машгиз, М. 1961, 338 с.

52. Шофман Л. А. Элементы теории холодной штамповки. Оборонгиз. 1952, 335с.

53. Шофман Л. А. Применение жестко-пластической схемы для расчета формоизменения и сопротивления деформируемого тела. Сб. «Основы теории обработки металлов давлением», Машгиз, М. 1959, 539 с.

54. Шофман Л. А., Перлин П. И. Методика теоретического анализа процессов обработки давлением жестко-пластического тела. «Кузнечно-штамповочное производство», 1959, № 4.

55. Шумакова Л.С. Проектирование заготовительно-штамповочной оснастки. Учебное пособие. Москва. 1981.