автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование процесса формовки деталей коробчатой формы в режиме сверхпластичности

Введение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общая характеристика процесса пневмотермической формовки в режиме сверхпластичности.

1.2. Применение процесса пневмотермической формовки в авиационной и других отраслях промышленности.

1.3. Конструктивно-технологическая характеристика деталей коробчатой формы.

1.4. Обзор теоретических и экспериментальных исследований процесса пневмотермической формовки.

1.5. Краткие выводы. Задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

2.1. Разработка математической модели формовки деталей коробчатой формы в режиме сверхпластичности.

2.2. Методика расчета технологических параметров пневмотермической формовки.

2.2.1. Исходные уравнения и допущения.

2.2.2. Определение технологических параметров «давление-время» при пневмотермической формовке.

2.2.3. Определение параметров контролируемого участка на различных стадиях процесса.

2.3. Разработка алгоритмов расчета технологических параметров пневмотермической формовки.

2.4. Построение обобщенной кривой нагружения.

2.4.1. Стадия свободной выдувки мембраны.

2.4.2. Стадия оформления дна.

2.4.3. Стадия формовки-калибровки углов.

2.4.4. Построение обобщенной кривой нагружения.

2.5. Краткие выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

3.1. Условия проведения экспериментов.

3.2. Проверка исходных допущений и 86 предпосылок.

3.3. Апробация методики расчета.

3.4. Определение характера распределения толщины по поверхности детали.

3.5. Влияние геометрических параметров деталей на технологические возможности процесса.

3.6. Краткие выводы.

4. ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ.

4.1. Опытно-промышленные работы.

4.1.1. Условия проведения и содержание опытных работ.

4.1.2. Разработка методики расчета технологических параметров.

4.1.3. Экспериментальные работы.

4.1.4. Проектирование и изготовление технологической оснастки

4.1.5. Формовка обтекателей.

4.1.6. Результаты работ по формовке «обтекателя».

4.1.7. Формовка деталей других типов.

4.2. Конструктивно-технологические рекомендации.

4.2.1. Содержание и порядок разработки процесса сверхпластической формовки.

4.2.2. Проектирование оборудования.

4.2.3. Проектирование технологической оснастки.

4.2.4. Рекомендации по выбору конструктивных параметров детали.

4.3. Краткие выводы.

В практике отечественного и зарубежного машиностроения последних лет все более широкое применение находят процессы штамповки листовых деталей в режиме сверхпластичности. Применение эффекта сверхпластичности резко увеличивает деформационную способность сплавов, что:

- во-первых, обеспечивает возможность создания перспективных конструкций, в более полной степени отвечающих возрастающим требованиям к массе, прочности и надежности;

- во-вторых, сокращает количество основных и сопутствующих операций технологических процессов, уменьшает количество и стоимость штамповой оснастки, сроки и затраты на технологическую подготовку производства, снижает трудоемкость изготовления и себестоимость продукции.

Наиболее отработанным процессом сверхпластической штамповки является в настоящее время пневмотермическая формовка (ПТФ) -формообразование листовых деталей избыточным давлением газа при температурно-скоростных условиях деформации, обеспечивающих проявление штампуемым сплавом свойств сверхпластичности.

Широкие исследования сверхпластичности начаты с середины 60-х годов. Исследования эти носили в основном металловедческий характер -поиск сверхпластичных сплавов, определение режимов и условий проявления сверхпластичности, исследование характеристик сплавов, влияния на них структуры и других факторов.

Важным выходом работ явилось заключение, что эффект сверхпластичности наблюдается во всех практически важных системах (на основе А1, Мд, Т\, Ре, №). Особенно важным является тот факт, сверхпластичность проявляется в большинстве известных промышленных сплавов (необходимо правильно подобрать температурно-скоростные режимы деформации и, если необходимо, подготовить структуру) [1-3].

Другим важным результатом работ 60-х годов явилась постановка вопроса о практическом применении сверхпластичности. Было показано, что эффект сверхпластичности имеет место не только при линейном растяжении, но и при других схемах напряженного состояния, характерных для различных процессов обработки металлов давлением [4-7].

Актуальность темы. Пневмотермическая формовка листовых деталей интенсивно осваивается рядом фирм США, Канады, Великобритании, Франции, Германии и др. Процесс используют в автомобильной промышленности, в производстве приборов и электроники, элементов архитектурного оформления, медицинского и бытового оборудования.

Особый интерес к процессу ПТФ проявляют фирмы, занимающиеся производством военной и гражданской аэрокосмической техники, что обусловлено применением в их конструкции высокопрочных труднодеформируемых сплавов. В самостоятельные группы формуемых деталей могут быть выделены полые осесимметричные детали, детали коробчатой формы, детали сложной формы типа обтекателей, плоские детали и панели с элементами жесткости различной конфигурации.

Объектом исследования являются процесс пневмотермической формовки деталей коробчатой формы в режиме сверхпластичности.

Предметом исследования являются механика протекания и технологические параметры процесса формовки деталей коробчатой формы в режиме сверхпластичности.

Целью исследования является освоение и внедрение на производстве технологии формовки деталей коробчатой формы в режиме сверхпластичности.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: - исследование механики, особенностей и основных закономерностей процесса формовки деталей коробчатой формы;

- разработка математической модели и методики расчета технологических параметров процесса формовки ДКФ при контролируемых температурно-скоростных условиях деформации;

- разработка рекомендаций по конструктивно-технологической отработке

ДКФ под формовку в состоянии сверхпластичности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследована механика, особенности и основные закономерности процесса пневмотермической формовки деталей коробчатой формы. Показана необходимость выделения трех характерных стадий процесса - свободная формовка, оформление дна и формовка-калибровка углов;

- разработана математическая модель и методика расчета технологических параметров процесса формовки ДКФ при контролируемых температурно-скоростных условиях деформации;

- разработаны рекомендации по конструктивно-технологической отработке деталей коробчатой формы под формовку в состоянии сверхпластичности.

Практическая ценность работы состоит в создании на базе теоретических и экспериментальных исследований практических рекомендаций по проектированию технологических процессов формовки деталей коробчатой формы в режиме сверхпластичности, расчету технологических параметров и проектированию технологической оснастки. Разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать технологические параметры формовки.

Реализация результатов работы: Разработана и внедрена отпытно-промышленная установка для формовки алюминиевых сплавов на ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение». Освоена прогрессивная технология формовки в режиме сверхпластичности трех наименований деталей изделий предприятия.

Публикации и апробация работы. Основное содержание работы изложено в 4-х научных статьях, докладывались на 7 науно-технических конференциях.

Результаты работы отмечены поощрительной премией конкурса молодых ученых им. С.П. Королева за 2005 год.

Доклад на тему «Применение эффекта сверхпластичности для производства изделий аэрокосмической отрасли» отмечен премией «За наиболее значимый научный доклад» на «3-й научно-практической конференции молодых ученых и специалистов авиационно-космической промышленности 2005».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Полный объем работы составляет 160 страниц, в том числе основной текст 152 стр., 82 рисунка и 37 таблиц, список литературы - (72 наименования, 6 стр.), приложения.

7. Результаты исследования находят практическое применение в опытно-промышленных работах, проводимых кафедрой ТПЛА с предприятиями промышленности по формовке деталей сложной формы. Например, на ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение» в результате внедрения технологии ПТФ изготовлено 3 наименования деталей для боевых изделий.

1. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов / Под ред. Пептона Н., Гамильтона К.: Пер. с англ. - М.:Металлургия, 1985, 312 с.

2. Васин P.A., Еникеев Ф.У., Мазурский М.И. Об определении чувствительности сверхпластичного материала к скорости деформации // Заводская лаборатория. 1998. Т. 64, №9. С. 50-55.

3. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. 168 с

4. Boyer R.R. An overview оп the use of titanium in the aerospace industry // Mat. Sei. Eng. 1996. V.A213. P.103114.

5. Cornfield G.G. and Johnson R.H. The Forming of Superplastic Sheet Materials // Int. J. Mech. Sei. 1970. V.12, № 6. P.479490.

6. Строганов Г.Б., Новиков И.И., Бойцов В.В., Пширков В.Ф. Использование сверхпластичности в обработке металлов давлением. М.: Машиностроение, 1989. 108 с.

7. Langdon T.G. Mechanical Properties of Superplastic Materials II Metal. Trans. 1982. V.13A. P. 689701.

8. Бочвар A.A. Ивз. АН СССР. ОТН, 1946, №5, с.743-752

9. Пресняков A.A. Сверхпластичность металлов и сплавов, Алма-Ата, Наука, 1969, 203 с.

10. Джифкинс P.C. Механизмы сверхпластической деформации // Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов / Под ред. Н. Пейтона, К. Гамильтона / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. С.11-36.

11. Сверхпластичность промышленных сплавов. Кайбышев O.A. М.: Металлургия, 1984. 264 с.Сверхпластичность металлических материалов / М.Х. Шоршоров, A.C. Тихонов, С.И. Булат и др. М.: Наука, 1973. 220 с

12. Астанин В.В., Кайбышев O.A., Пшеничнюк А.И. К теории сверхпластической деформации II Физика металлов и металловедение 1997. Т. 84, вып. 6. С.515.

13. Кайбышев O.A. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975. 280 с.

14. Bakofen W., Turner I., Avery D., Superplasticity in an Al-Zn alloy, Trans ASM,1964, v.57, p.980-990.

15. L. Ascani, J. Rully, New Advancements in Titanium technology and their cost and weight benefits. Proceeding of the SCAR Conference, Part I and II, USA, Langley Research Center, Hampton, Virginia, 1976, nov. 9-12, p. 757-782.

16. C. Paez, R.Messier, Design and fabrication of advanced titanium structures., "AIAA/ASME/ASCE/AHS 20th Struct., Dyn., and mater., Conf., St.Louis, MO., 1979", S. 1,1979, 208-220

17. C. Hamilton and L. Ascani, Method for making metallic sandwich structures, Пат. США №3927817, 1975.

18. W.E. Goff, Superplasticity, Flight international, 3, August, 1972.

19. American Metal Market 1981; 89: 85:10-15.

20. Air and Cosmos 1988; 10: 1203: 24-30.

21. Гот A.K. Определение характеристик сверхпластичности металлов / Сверхпластическая формовка конструкционных материалов / Под ред. Н. Пейтона, К. Гамильтона / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. С.89106.

22. Панченко Е.В. II Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. ТПИ. Тула. 1977. С. 121-132.

23. Сенькое О.Н. Влияние роста зерен на предельную деформацию сверхпластичных материалов // Физика металлов и металловедение. 1987. Т. 64, вып.З. С.561564

24. Мазурский М.И., Еникеее ФУ. К вопросу определения оптимальных условий сверхпластической деформации // Изв. РАН. Металлы. 1998. №4. С.6571.

25. Смирнов O.M. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979. 188 с.

26. Еникеев Ф.У., Бердин В.К. Определение зависимости давления от времени процесса пневмоформовки круглой мембраны в состоянии сверхпластичности II Проблемы прочности. 1993. № 11. С. 7175.

27. Enikeev F.U. and Kruglov A.A. An analysis of superplastic forming of circular diaphragm // Int.J.Mech.Sci. 1995. V.37, № 5. P.473483.

28. Guo Z.X., Ridley N. Modeling of superplastic bulge forming of domes // Mat. Sci. and Eng. 1989. V.A114, № 1. P.97 104.

29. D. Holt. An analisys of the bulging of a superplasnic sheet by lateral pressure., Internanat. J. mec.sci.,1970, vol. 12

30. Yang H.S., Ahmed H.K. and Roberts W.T. Process control of superplastic forming under superimposed hydrostatic pressure // Mat. Sci and Eng. 1989. V.A122. P.193.

31. Ghosh A.K. and Hamilton C.H. Superplastic Forming of a Long Rectangular Box Section" Analysis and Experiment II Proceed, of American Society for Metals on Process Modelling Fundamentals and Applications to Metals. 1978. P. 303331.

32. Кайбышев О.А., Круглое A.A., Таюпов A.P., Лутфуллин Р.Я. Сверхпластическая формовка сферических оболочек из сверхпластичных листовых материалов // Кузнечно-штамповочное производство. 1991. № 8. С. 1920.

33. Еникеев Ф.У., Бердин В.К. Определение зависимости давления от времени процесса пневмоформовки круглой мембраны в состоянии сверхпластичности//Проблемы прочности. 1993. № 11. С. 7175.

34. Васин P.A., Еникеев Ф.У., Введение в механику сверхпластичности: В 2 ч. Уфа: Гилем, 1999. Ч. II. Книга 1. 460 с.

35. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979.

36. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. И доп. -М.: Машиностроение, 1981.

37. Соловцев С.С., Байер К.Г. Интенсификация местной формовки осесим-метричных заготовок// Кузнечно-штамповочное производство. 1965. №7.

38. Ершов В.И., Ливенко Н.Д., Архангельская Л.В.Формовка тонкостенных днищ.// Кузнечно-штамповочное производство. 1988. №2.

39. А.С, Красов. Анализ процесса формовки листового материала. Сборник трудов к 65-летию каф. ТПЛА «МАТИ». М.: Икар, 2005г.

40. Яковлев С.С. Изотермическая пневмоформовка элементов ячеистых многослойных листовых конструкций квадратного поперечного сечения из анизотропного материала. Заготовительные производства в машиностроении.М.: Машиностроение, 2006. №8.

41. Панченко Е.В., Рене И.П., Расчет давления формовки среды и времени давления формовки деталей в режиме сверхпластичности., «Вестник машиностроения», 1980, №5, 66-70.

42. Пашкевич А.Г., Тюпич Ю.П., Орехов A.B., Управление распределением толщины при пневмотермической формовке листовых жеталей в состоянии. сверхпластичности, «Кузнечно-штамповочное производство», 1978, №8, 36-39

43. Исаченков Е.И., Штамповка резиной и жидкостью, М.: Машгиз, 1962, 327с.

44. Таюпов А.Р., Круглое A.A., Рыжков В.Г., Бердин В.К. Оптимизация процесса газоста-тической формовки изделий коробчатого типа из сверхпластичного материала // Изв.вузов. Черная металлургия. 1990. №7. С.5759

45. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. 52 с

46. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. 2-е изд. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995.

47. Математическое моделирование пластической деформации / Л.Е. Попов, Л.Я. Пудан , С.Н. Колупаева и др. Томск. Изд-во Том. ун-та, 1990. 184 с

48. Пашкевич А.Г., Кондратьев М.В. и др. Пневмотермическая формовка ячеистых панелей в режиме сверхпластичности, «Кузнечно-штамповочное производство», №5, 1980г.

49. Пашкевич А.Г., Орехов A.B. и др. Пневмотермическая формовка деталей коробчатой формы. «Кузнечно-штамповочное производство». 1978. №3.

50. Пашкевич А.Г., Шумаков С.Г. и др. Применение эффекта сверхпластичности при штамповке листовых деталей из сплава 1420, «Авиационная промышленность», №8, 1985, ДСП.

51. Пашкевич А.Г., Архангельская Л.В. и др. Разностенность куполообразных деталей при пневмотермической формовке//ИВУЗ. Машиностроение. 1983 №3

52. Панченко Е.В. Развитие теории и технологии листовой пневмоформовки изделий в режиме сверхпластичности: Автореф. дис. докт. техническихнаук по специальности 05.03.05 Технология и машины обработки давлением. Тула, 2005. 33 с.

53. Кайбышев O.A., Круглое A.A., Таюпов АР., Лутфуллин Р.Я. Сверхпластическая формовка сферических оболочек из сверхпластичных листовых материалов II Кузнечно-штамповочное производство. 1991. № 8. С.1920.

54. Кайбышев O.A., Круглое A.A., Таюпов А.Р., Бердин В.К., Лутфуллин Р.Я. Сверхпластическая формовка многослойных конструкций // Кузнечно-штамповочное производство. 1990, № 9. C.2Ö21.

55. Пашкевич А.Г., Орехов A.B., Кондратьев М.В., Пневмотермическая формовка ячеистых конструкций, «Авиационная промышленность», 1981.

56. Пашкевич А.Г., Орехов А.В, Половцев В.А., Формовка рифтов жесткости в состоянии сверхплатисчности. Известия ВУЗ-ов, «Авиационная техника», 1981.

57. Кондратьев М.В. Исследование процесса пневмотермической формовки элементов жесткости листовых деталей. Автореф. дис. кандидата технических наук по специальности 05.07.04 Технология производства летательных аппаратов и двигателей. Москва, 1981г.

58. Поляк С.М., Соломатин B.C., Цепин М.А., Анищенко A.C. Пневмофор-мовка листовых материалов в состоянии сверхпластичности., М., ЦНТИ «Поиск, 1981.

59. Пашкевич А.Г., Шумаков С.Г. и др. Сверхпластическая формовка деталей сложной формы из труднодеформируемых алюминиевых сплавов. Авиационная промышленность, 1990г.

60. Разработана и освоена технология формовки в режиме сверхпластичности деталей предприятия «Окантовка» и «Крышка»

61. Формовкой в режиме сверхпластичности изготовлены партии указанных деталей в полном соответствии с требованиями чертежей и ТУ

62. Разработана и освоена технология пневмотермической формовки в режиме сверхпластичности детали «Обтекатель».