автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование процесса изготовления деталей летательных аппаратов из листовых заготовок изгибом с дополнительным нагружением в радиальном направлении

На правах рукописи

□ □ЗАО г

Тан Вин Аунг

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗГИБОМ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ НАГРУЖЕНИЕМ В РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ

Специальность 05.07.02 "Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

003487922

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

£рмт0В Р

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макаров К.А.

Кандидат технических наук, доцент Филимонов A.C.

Ведущее предприятие: Национальный институт авиационных

технологий

Защита состоится «l?» ^Ь^О-Ьр^ 2009 г. в « » часов ОР мин. на заседании диссертационного совета Д 212.110.02 ГОУ ВПО «МАТИ»-Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского по адресу: 109240, Москва, Берниковская наб.,14, стр.2.

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

Автореферат разослан « О » Hpjitfp 9 2009 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 имени К.Э.Циолковского, ученому секретарю диссертационного совета Д212.110.02.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.110.02 доктор технических наук, доцент

а

Wfas^j Силуянова М.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Среди процессов обработки металлов давлением, применяемых при изготовлении летательного аппарата и других видов машин, наиболее широко распространена гибка различных полуфабрикатов. Изгиб используется для получения летя пей и? листовых, профильных и трубчатых заготовок. К таким деталям относятся, например, листовые обшивки и монолитные панели одинарной и двойной кривизны, элементы набора (стрингеры, шпангоуты, диафрагмы, жёсткости и т.п.).

При использовании процесса изгиба листовых заготовок снижается материалоемкость. Снижение материалоемкости продукции позволяет снизить стоимость изделия в результате уменьшения веса заготовок и трудоемкости их обработки. Уменьшение веса изделия при выполнении всех технических требований, предъявляемых к нему, возможно при использовании новых высокопрочных материалов, обладающих, кроме того, некоторыми другими необходимыми свойствами такими, как, например, жаростойкость, коррозионная стойкость, высокая усталостная прочность и т.д. Важным средством снижения веса является использование такой формы и размеров деталей, при которых обеспечивается их максимальная прочность и жёсткость.

При снижении веса значительно повышается эксплуатационная эффективность летательного аппарата, так как уменьшаются энергетические затраты, необходимые для перемещения аппарата с заданной скоростью. При снижении веса планера (корпуса) и сохранении прежнего взлётного веса может быть увеличена дальность полета за счёт увеличения веса горючего. Если не требуется увеличения дальности полёта, то уменьшение материалоёмкости позволяет увеличить полезную нагрузку, что снижает эксплуатационные расходы на единицу массы.

Будучи широко распространенной как самостоятельная операция, гибка входит в виде составного элемента в различные процессы, как например, обжим и раздачу, вытяжку, отбортовку по выпуклому, вогнутому и прямолинейному бортам, гибку (малковку) и подсечку профилей, обтяжку и обтяжку с растяжением, формообразование на рогообразном сердечнике и многие другие. Поэтому, очевидно, некоторые проблемы, встающие при использовании этих процессов, могут быть решены, если устраняются трудности, возникающие при гибке.

Поэтому задача поиска оптимальных режимов дополнительного силового нагружения путем создания более полной и точной методики расчета технологических параметров процесса гибки листовых заготовок является актуальной.

Объектом исследования являются процессы гибки листовых заготовок в условиях дополнительного радиального нагружения, связанное с ним последующее пружинение и минимальный допустимый радиус изгиба.

Предметом исследования являются параметры процесса гибки и условия формоизменения, влияющие на точность деталей после снятия нагрузки. В частности, напряженно-деформированное состояние и основные геометрические характеристики получаемых деталей с учетом пружинения, а также влияние дополнительного силового нагружения.

Цель исследования: повышение жесткости профилей, полученных гибкой листового материала и уменьшение трудоемкости их изготовления.

Проблемы: уменьшения радиуса изгиба, устранения пружинения после снятия нагрузки и уменьшения объема доводочных работ.

Для достижения цели были поставлены и решены следующее задачи:

- выполнен теоретический анализ напряженно-деформированных состояний и технологических параметров процессов гибки листових заготовок в условиях дополнительного силового нагружения;

- создана методика расчета напряженно-деформированного состояния, параметров пружинения и радиус изгиба листовых заготовок;

- выполнена экспериментальная проверка решений, полученных при теоретических исследованиях процесса изгиба листовых заготовок. Методологические основы. Теоретические исследования процесса гибки

базируются на основных положениях теории пластичности и методах исследовния процессов пластического деформирования листовых заготовок, что позволило решить задачу неосесимметричного деформирования. Теоретические исследования пружинения велись на основе теоремы об упругой разгрузке Ильюшина A.A.

Экспериментальные методы исследования и обработки результатов на образцах натурных заготовок из листового материала. 4

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены расчеты зависимости напряженно-деформированного состояния и технологических параметров при гибке с дополнительным радиальным нагружением;

- определены оптимальные режимы гибки с дополнительным радиальным нагружением;

- исследован процесс одновременного изгиба нескольких заготовок. Достоверность результатов. Достоверность полученных в диссертации

результатов, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, основанного на теории пластичности и теории разгрузки, и удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с предсказанными теоретическими исследованиями.

Практическая значимость. Разработан и исследован процесс изгиба с дополнительным радиальным нагружением. Установлено, что предлагаемый процесс изгиба имеет высокую производительность, низкую себестоимость за счет исключения доработки. Установлено, что минимальный радиус изгиба уменьшается в 1,6-2,0 раза для заготовок из сплава титана ОТ4 и в 2-3 раза для заготовок из Д16АТ и уменьшение угла пружинения в 1,5-2,0 раза.

Апробация работы. Основые результаты работы докладывались на международной молодежной конфереции «XXXIII Гагаринские чтения» в 2007 г., «XXXIV Гагаринские чтения» в 2008 г., «XXXV Гагаринские чтения» в 2009 г., и на научной конференции XXXII академических чтений по космонавтике, проводившихся в МГТУ в 2008 году.

Публикации. Содержание работы изложено в 2 статьях, 5 тезисах докладов к научно-практическим конференциям.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений. Полный объем работы составляет (114) страниц, в том числе основной текст (104) страниц, (42) рисунка и (4) таблиц, список литературы (79) наименования, (6) страниц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, задано направление исследований, определено научное и практическое значение решаемой проблемы.

В первой главе проведен анализ литературных данных. Очевидно, что гибка листовых заготовок широко распространена при изготовлении деталей летательных аппаратов. Теоретический анализ процесса гибки проводился как российскими, так и зарубежными учеными: Губкиным С.И., Горбуновым М.Н., Ершовым В.И., Закировым И.М., Звороно Б.П., Исаченковым Е.И., Лысовым М.И., Малининым H.H., Матвеевым А.Д., Мошниным E.H., Поповым Е.А., Смирновым-Аляевым Г.А., Томленовым А.Д. и многими другими.

Обзор литературных источников показывает, что процессом гибки изготавливаются (рис.1):

1. элементы силового набора: детали шпангоутов (рис. 1 е, и), нервюр (рис 1 з) и лонжеронов (рис. 1 л), стрингеры (рис. 1 а, б, в, д), детали типа "компенсатор";

2. элементы гидро- и пневмосистем;

3. детали крепления трубопроводов и хомуты (рис. 1 г) для фиксации электрожгутов;

и другие детали из листовых, профильных и трубных заготовок.

При изготовлении деталей гибкой используется значительное количество схем, позволяющих реализовать процесс, среди которых можно выделить некоторые, часто используемые на практике:

1. В штампах: консольная, свободная V-образная, V- образная с подчеканкой, U- образная, Z- образная, гибка полосы на ребро;

2. Эластичными средами;

3. Прокаткой;

4. Гибка полосы путем разгонок;

5. Ротационная гибка кольца;

6. Высокоэнергегические методы формоизменения.

Рис. ]. Типовые детали летательных аппаратов, изготавливаемые гибкой

При реализации процессов гибки профильных заготовок применяются гибка осадкой, гибка в штампах, гибка прокаткой, гибка наматыванием, гибка заталкиванием в фильеру и некоторые другие.

Перечисленные схемы принято относить к традиционным. Общим недостатком традиционных схем гибки является невозможность придания детали окончательной схемы с высокой точностью.

Для повышения точности и предельных возможностей процессов применяют такие способы интенсификации, как термическая, силовая и некоторые другие. Наиболее широко распространенная силовая интенсификация является изменением механической схемы деформаций, что возможно при нагружении очага деформации некоторыми дополнительными видами внешних нагрузок (нормальных и касательных), наличие которых не является обязательным для осуществления заданного формоизменения, т.е. при использовании совмещенных процессов обработки давлением.

Однако, несмотря на многочисленные теоретические и экспериментальные исследования процесса гибки, разработка оптимального варианта технологического процесса изготовления конкретной детали представляет достаточно сложную задачу, так как на итоговую точность значительное влияние указывает большое количество факторов: свойства материала, геометрия заготовки и детали, схема нагружения, направление и величина интенсифицирующих нагрузок и некоторые другие.

Такое разнообразие задач и значительная сложность расчетных случаев при использовании известных зависимостей и методик расчета требуют проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований для каждой конкретной задачи.

Во второй главе приведен теоретический анализ процесса изгиба с дополнительным радиальным нагружением. Предложена методика расчетов процесса изгиба с дополнительным радиальным нагружением.

а)

б)

Рис. 2. Изгиб с радиальным сжатием: а - усилие сжатия приложено во все время процесса, б - усилие сжатия приложено после окончания гибки

Анализ процесса изгиба с последующим радиальным сжатием проведем при следующих основных допущениях:

- влияние неравномерности внешней нагрузки/1.2 на направление главных осей незначительно;

- сдвиговые деформации, вызванные тангенциальной составляющей внешней нагрузки, равны нулю;

- материал заготовки обладает упрочением по линейному закону;

- интенсивность деформации численно логарифмической деформации.

Решая совместно уравнение равновесия

¿р Р

и условие пластичности

с„ -сг„ = ±

сгУ0 ±П1п—

Р».

Р

с использованием граничных условий: ст при р = М и ар=-/2 при р = га, получим законы распределения напряжений по очагу деформаций в виде:

для зоны растяжения

.1п*1+п 21п Р__]пМ1пя

р) р„ р] р

П,

P-.fr.

а„ =Н cr.su + —1п—/?-/,;

л;; р

для зоны сжатия

^1 + 1п£]+П|21пр_+1пЛ.1П£

Р„ Р'о

-Л;

2

1п—-/,.

гс

Радиус нейтральной поверхности равны:

А, = К

21п —

II

1-17

(2)

(3)

Рис .3. Сечение детали, полученной изгибом с радиальным сжатием Величина радиальной нагрузки /ср :

I ч. - ' X

Ч'о- Д 1'о ) л ) г0 г0_ + У 1л- 20) '-о

[»0 л{г0 ) л- /■„"_ 2А„,С

2 У л Л л2 (к-

2 Р2{г0 )+8 /

Внешний изгибающий момент М: 1 ( я-

Здесь

2 /■„" Л п

1

+—

2

2 А«,.,

)

Ат = -

На выпуклой поверхности тангенциальное, радиальное и осевое напряжения равны соответственно

СТ..

= ; с,, —А

(6)

2 2

Коэффициент жёсткости Г.А. Смирнова-Аляева можно вычислить по формуле

и, + а,, + а,

л--_. = 1,73-3,4«

Я =

- У + К - ^ ^ + К - ^

(7)

Интенсивность деформаций на выпуклой поверхности При обычном изгибе без учета утонения

е., = 1п

'Отт ^

У У

' Отт | I 0тт_

(8)

(9) (Ю)

Х-А-у

где = —.

1-2И '

+ 7

е =1пг»—

где /; - коэффициент, учитывающий утонение заготовки.

1-73/,,=п.е.....

(И)

Подставим (12) значения интенсивностей (9) и (11).После очевидных преобразований получаем формулу для определения минимально допустимого радиуса детали при изгибе с радиальным сжатием :

(г \ ■ '

.5

а 46

2 - К I п

.146

1 - Л.' .? •

:чб

7 - К г "

3 46

211 ~К,1~П"

3.46 '

1 -К.....!"

(13)

где /=-

'Оипп |

5«

) -о

В главе 3 приведен теоретический анализ одного из вариантов формоизменения процесса одновременного изгиба нескольких заготовок. Анализ произведем при следующих основных допущениях:

- материал заготовки обладает идеальной пластичностью; •

- касательные напряжения, вызванные неравномерностью радиальных нагрузок £, по сечению малы;

- трение на контактирующих поверхностях мало и не влияет на распределение внутренних напряжений.

Последнее объясняется тем, как будет показано ниже, что величина радиальной нагрузки не превышает 0,5 При обычных условиях штамповки со смазкой

коэффициент контактного трения примерно равен 0,1. Следовательно, касательные напряжения на контактных поверхностях заготовок па порядок меньше напряжения текучести и их влиянием можно пренебречь. Законы распределения напряжений для 1-ой заготовки

- в зоне растяжения

<*г =-о\-01п— -/,' ;сг = о-.чоГ^ — 1п—)-.// , Р \ Р)

Рис. 4. Схема одновременного изгиба нескольких заготовок / // - нагрузка на наружной поверхности ¡-ой заготовки, /," - нагрузка на внутренней поверхности ¡-ой заготовки./ - в зоне сжатия

ар = -as(¡ ln--./;' ;о\, = -<xJ 1 + In— -/" ,

Рис.5. Схеманагружения заготовок/ - нагрузка на наружной поверхности ¡-ой заготовки, //' - нагрузка на внутренней поверхности ¡-ой заготовки./

(15)

для п-ои заготовки - в зоне растяжения

i R» (. i R» i p \ p.

(16)

- в зоне сжатия

a, =-<7,0lnf-/>; = -*i0[ l + ln^ j-/„"

(17)

(18)

Усилие P равно:

P - 2Lr: sin аг../|'11ШЧ •

С использованием (16) и (17) получаем положение нейтральных поверхностей для п -ой заготовки: 12

а используя (14) и (15), получим для всех остальных заготовок

7- (20)

Положение нейтральной поверхности зависит от величины нагрузок, приложенных к внешней и внутренней поверхностям данной заготовки. Эти нагрузки можно охарактеризовать коэффициентом,

А' =---г , (21)

" 1+/ -/;

который назовем коэффициентом смещения, аналогичным по смыслу коэффициенту, определенному ранее. Следовательно,

Ры = • (19а)

С использованием (14) и (15) получаем момент внутренних сил М>:

•V -< ^ , А>: -у •" -/г-Г)1 . (22)

^ у

С учетом (19) можно представить формулу (21) при рО в виде, разложив ¡п—^

Р'т

в ряд и ограничившись двумя первыми членами:

Г-' 1

(22а)

К'-г Rr 1 R, См , f;L

4 2 i+/;„„ '2 '2

Определим момент внешних сил, приложенных к i -ой заготовке, относительно точки 0 (рис. 5.6) пересечения нейтральной поверхности и от симметрии сечения:

где 0<Х,< рт sin fi: 0<Х2< R: sin/?; 0 < Х3 < rt sin/?. Максимальное значение момента равно

'•/.....- F а.-р -rCj . (23)

Максимальное значение момента внешних нагрузок должно быть равным максимальному моменту,

М, = м,„ ■ (24)

Спроектировав силы, действующие на 1 -ую заготовку, на ось симметрии поперечного сечения, получаем второе уравнение равновесия заготовки.

Р; - /г* = (/^г, - ¿'„„ДНта.сска . (25)

Подставив (25) в (24) и использовав выражения (23) и (22а), получаем после простых преобразований обобщенное условие равновесия

1 -ои заготовки:

гт

I

а [ 4 2(1 + -/'„

Я: + Г

Л, г

1 + 5нга(_,,, \1

Яг

(26)

Заметим, что для внешней п -ой заготовки = 0. Поэтому при заданных размерах штампа и количестве одновременно изгибаемых заготовок с использованием уравнения (26) можно определить все силовые параметры процесса.

При изгибе поперечной силой в штампе одной заготовки условие равновесия принимает следующий вид:

I 1

•/та.4

0.25| ^ + 1

Я.

2г\

1 + эт2 а

(27)

Определим коэффициент жесткости при изгибе с радиальным сжатием 1 -ой заготовки. Из формулы (14) следует, что на выпуклой наружной поверхности главные напряжения равны:

у-г /-Г /Т

стхо = - Л; аР = -Л; стг 2 7 Тогда коэффициент жесткости можно вычислить по формуле

П--

: 1,73-3,46/, ,

(28)

где /,

Интенсивность деформаций при одновременном изгибе нескольких заготовок не должна превышать интенсивности деформаций при обычном изгибе с учетом коэффициентов жесткости для обоих случаев. Из этого условия с учетом (19а) следует формула для определения минимального радиуса при изгибе с радиальным сжатием:

В главе 4 изложены методика проведения и результаты экспериментальных исследований. На (рис. 6.) показана установка использованной экспериментальной установки для гибки с радиальным сжатием.

Рис. 6. Экспериментальная установка 1) подвижный захват, 2) пуансон, 3) заготовка, 4) универсальная гибочная матрица, 5) винт. 6) корпус, 7) регулируемый дроссель, 8) трубопровод, 9) гидравлический цилиндр, 10) прижи

В качестве заготовок были использованы прямоугольные карточки размером 50x40 из материалов Д16АТ л.2,5 и 0Т4 л.2,0. Деформирование заготовок производилось до разрушения, момент которого определялся визуально, или до получения готовой детали. После штамповки определялись размеры детали: угол между полками - с помощью оптического угломера с ценой

(29)

деления 12%; радиус изгиба - с помощью универсального радиусомера с точностью 0,25-0,5 мм в зависимости от абсолютной величины радиуса, толщина заготовки по биссектрисе угла - с помощью микрометра со специальной насадкой с точностью до 0,01 мм.

Простое нагружение(изгиб + радиальное сжатие4)

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Рис. 7. Зависимость минимального радиуса от радиальной нагрузки /материал Д16АТ л.2,5/ _ расчетная кривая, о экспериментальная точка — расчетная кривая, V экспериментальная точка ■ • расчетная кривая, л экспериментальная точка

\г 71

Угол а = —

Угол а = -4

Угол а = — 6

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Относительная нагрузка /ср/аг0

Рис. 8. Зависимость радиуса изгиба от радиальной нагрузки /материал ОТ4 л.2,0/

л

Угол а =:

Угол а

3 л

Угол а = — 6

. - расчетная кривая, о экспериментальная точка — расчетная кривая, 7 экспериментальная точка • ■ расчетная кривая, й экспериментальная точка

Сложное нагружение в последовательности (радиальное сжатие - изгиб)

= 4

20 30 40 50 60 Угол а, град

Рис. 9. Зависимость радиуса изгиба от угла а .'Материал Д!6АТ л.2,5/

= ( |,0435ч

/

= 0

о 10 20 30 40 50 60 70 Угол а, град

Рис. 10. Зависимость радиуса изгиба от угла а - Материал Д16АТ л.2,0/

Сложное нагружение в последовательности ( изгиб - радиальное сжатие)

Расчётные кривые

Эксперим ентал ьные точки V ОТ4

х АМГ 6П о Д16АМ

1,2 1,6,- 2,0

тление .'>»

Относительное давление

Рис. 11. Зависимость угла пружинения от усилия калибровки

К

к с4 О 6

2 О

""с

4

5

ж с;

о СЭ 2

АМГ6

Д16М

0Т4

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 Относительное давление

Рис. 12. Зависимость утонения от усилия радиального сжатия

а

<3

-2

и г^з

V

у / X

i / / / > \ , 2 р

/ ч 1

1 2 3 4 й 5 Относительный радиус —

Рис. 13. Зависимость угла пружинения от радиуса изгиба/1.Д16М; 2.АМГ6П; З.ОТ4/ 12

§10

а

I 4 >>

а ^ ?

А

\д

У \ ^ \

\ \ N .1 О

о N. V

Относительный радиус —

^-о

Рис. 14. Зависимость утонения от радиуса изгиба /1. ОТ4:2.АМГ6П; 3. Д16М/

30 45 60 75 90 105 120 Угол изгиба а, град

Рис. 15. Зависимость угла пружииепия от угла изгиба (/1Я„ = Ю;'о = 5Л = 1,о) Для сплава 0Т4 зависимость монотонна, в то время как для материалов Д16М и АМГ6П имеет место максимум Да (на рис. 15). Наличие этого максимума можно объяснить, если помнить, что с одной стороны при обычной гибке с увеличением угол пружинения увеличивается, а с другой - увеличивается площадь контакта заготовки и инструмента и усилие ^ (картина аналогичная картине при увеличении радиуса пуансона г0). Можно предположить, что для сплава ОТ4- максимум имеет место вне исследованного диапазона а. Одновременный изгиб нескольких заготовок

Рис. 16. зависимость угла отгиба от размера матрицы: 1 - Д16АТ л.2,5, г„ = 6,0 ; 2 - ОТ4 л.2,0, г„ = 6.0. ( о -без зачистки кромок ; Д - с зачисткой кромок)

Основные результаты и выводы

1. Обзор литературных данных показывает, что основные исследования процесса изгиба относятся к изгибу под действием изгибающего момента. Эти исследования ограничены решением вопросов конкретных процессов, не учитывают факторы силовой интенсификации, не дают возможность вести расчет нестационарно протекающих процессов.

2. Обзор предыдущих исследований показывает, что дополнительная сжимающая нагрузка увеличивает пластичность материала заготовки и схему напряженно-деформированного состояния в очаге деформации.

3. Разработанная методика расчета процесса изгиба с дополнительным радиальным нагружением показывает, что радиальное нагружение позволяет существенно уменьшить внутренний радиус изгиба (в 1,6-2,0 раза для заготовок из сплава титана ОТ4 и в 2-3 раза для заготовок из Д16АТ) и уменьшить угол пружинения в 1,5-2,0 раза. Результатом является повышение жесткости деталей примерно на 20 %, что дает возможность снизить их массу и улучшить тактико-технические характеристики. Установлено, что результатом является увеличение дальности полета на 10-15%. Трудоемкость изготовления снижается за счёт уменьшения доводочных работ.

4. Установлены области рационального использования различных последовательностей нагружения. Экспериментальные результаты показывают, что простое нагружение (изгиб + радиальное сжатие) и нагружение в последовательности (радиальное сжатие - изгиб) уменьшают радиус изгиба и угол пружинения; нагружение в последовательности (изгиб - радиальное сжатие) следует использовать для повышения точности в результате уменьшения угла пружинения.

5. Исследованный новый способ одновременного изгиба нескольких заготовок может быть использован при отсутствии специальной штамповой оснастки. Результаты операции зависят от числа одновременно изгибаемых заготовок и размеров универсальных штампов. При одновременном изгибе трех заготовок из сплава ОТ4 минимальный радиус был уменьшен практически в два раза. Трудоемкость штамповки не увеличивается по сравнению с обычной гибкой.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Тан В.А. Исследование процесса одновременного изгиба нескольких заготовок. /XXXIII «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. -М.: МАТИ, 2007. с 30.

2. Тан В.А. Исследования процесса гибки заготовок со сжатием в радиальном направлении. /XXXIII «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. -М.: МАТИ, 2007. с 31.

3. Тан В.А. Исследование процесса изгиба с радиальным нагружением. /Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, № 11,

2007. с 11.

4. Тан В.А. Исследование процесса изгиба листового материала с дополнительным нагружением в радиальном направлении. / Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXII Академических чтений по космонавтике. Москва, январь - февраль 2008 г. / Под общей редакцией А.К.Медведевой. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2008. с 495.

5. Тан В.А. Минимальный допустимый радиус при изгибе с дополнительным радиальным нагружением. /XXXIV «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. - М.: МАТИ,

2008. с 31.

6. Тан В.А. Влияние радиального нагружения при изгибе листовых заготовок. /XXXV «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. -М.: МАТИ, 2009. (в печати)

7. Тан В.А. Анализ процесса изгиба с дополнительным радиальным сжатием. / Научный вестник МГТУГА, серия аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС. № 141 2009. с 131.

11одписано в печать * * 2009. Объем 1,0 п.л., тираж 100 экз.¿ак.мМ

Типография ИЦ МАТИ, 109240, г. Москва, Берниковская наб., 14

Введение.

Глава 1. Обзор способов изготовления деталей гибкой из листового материала.

1.1 Основные проблемы процесса гибки.

1.2 Схемы нагружения заготовки при изгибе.

1.3 Схемы штампов.

1.4 Формоизменение заготовки при отсутствии внешнего изгибающего момента.

1.5 Выводы.

Глава 2.Исследование процесса изгиба с радиальным нагружением.

2.1 Методика расчёта силовых параметров процесса изгиба с радиальным сжатием.

2.2 Определение минимального радиуса изгиба.

2.3 Пружинение материала после разгрузки.

2.4 Выводы.

Глава 3. Исследование процесса одновременного изгиба нескольких заготовок.

3.1 Определения закона распределения нормального давления на первом переходе.

3.2 Усилие при процессе одновременного изгиба нескольких заготовок.

3.3 Минимальный радиус одновременного изгиба нескольких заготовок.

3.4 Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования процессов гибки листов.

4.1 Изгиб с радиальным нагружением.

4.1.1 Методика проведения экспериментов.

4.1.2 Результаты экспериментов.

4.2 Процесс одновременного изгиба нескольких заготовок.

4.2.1 Условия проведения экспериментов.

4.2.2 Результаты экспериментов.

4.3 Выводы.

Для производства летательных аппаратов важными проблемами являются; снижение материалоемкости продукции, внедрение прогрессивных технологических процессов, развитие передовой малооперационной технологии, совершенствование конструкции. Совершенствование конструкции предполагает обычно использование новых технологических решений и повышение технологичности изделия.

Снижение материалоемкости продукции позволяет снизить стоимость изделия в результате уменьшения веса заготовок и трудоемкости их обработки. Уменьшение веса изделия при выполнении всех технических требований, предъявляемых к нему, возможно при использовании новых высокопрочных материалов, обладающих, кроме того, некоторыми другими необходимыми свойствами такими, как, например, жаростойкость, коррозионная стойкость, высокая усталостная прочность и т.д. Важным средством снижения веса является использование такой формы и размеров деталей, при которых обеспечивается их максимальная прочность и жёсткость.

При снижении веса значительно повышается эксплуатационная эффективность летательного аппарата, так как уменьшаются энергетические затраты, необходимые для перемещения аппарата с заданной скоростью. При снижении веса планера (корпуса) и сохранении прежнего взлётного веса может быть увеличена дальность полета за счёт увеличения веса горючего. Если не требуется увеличения дальности полёта, то уменьшение материалоёмкости позволяет увеличить полезную нагрузку, что снижает эксплуатационные расходы на единицу массы.

Ведущую роль в снижении веса любой машины призвана играть технология, которая определяет возможность изготовления детали или узла с заданными характеристиками. Применение новых высокопрочных материалов постоянно ставит задачи по их переработке в изделие, приводит к необходимости увеличения мощности оборудования и поиска новых методов и средств обработки. Последнее обусловлено недостаточной технологичностью высокопрочных материалов (низкой пластичностью, чувствительностью к концентраторам, склонностью к газонасыщению и др.).

В настоящее время определилась тенденция повышения эксплуатационной эффективности летательных аппаратов за счёт увеличения их габаритов. Это в значительной мере осложняет производство, так как ведет к росту габаритов и мощностей технологического оборудования, увеличению площади цехов необходимой для размещения как самого оборудования, так и для хранения технологической оснастки и самих изделий.

Увеличение габаритов летательного аппарата непосредственно связано с повышением их надёжности. Проблема надёжности также решается технологическими средствами. Следовательно, совершенствование технологических процессов позволяет решить такие важные задачи, как снижение веса изделия, улучшение его эксплуатационных характеристик, повышение надёжности, уменьшение трудоемкости и стоимости изготовления.

Среди процессов обработки металлов давлением, применяемых при изготовлении летательного аппарата, наиболее широко распространена гибка различных полуфабрикатов. Будучи широко распространенной как самостоятельная операция, гибка входит в виде составного элемента в различные процессы, как например, обжим и раздачу, вытяжку, отбортовку по выпуклому, вогнутому и прямолинейному бортам, гибку (малковку) и подсечку профилей, обтяжку и обтяжку с растяжением, формообразование на рогообразном сердечнике и многие другие» Поэтому, очевидно, некоторые проблемы, встающие при использовании этих процессов, могут быть решены, если устраняются трудности, возникающие при гибке.

Теоретический анализ процесса гибки проводился как российскими, так и зарубежными учеными: Губкиным С.И.[1, 2], Горбуновым М.Н.[3, 4, 5],

Ершовым В.Щ6, 7], Закировым И.М.[8], Звороно Б.П.[9], Исаченковым 5

Е.Щ10], Лысовым М.И.[11, 12], Малининым Н.Щ13], Самуль В.И.[14], Мошниным Е.Н.[15], Поповым Е.А.[16, 17, 18], Смирновым-Аляевым Г.А.[19, 20, 21, 22], Томленовым А.Д.[23], Романовским В.П.[24, 25, 26, 27] , Безухов Н.И. [28] и многими другими[29, 30, 31, 32, 33, 34]. В результате этих исследований были явлены зависимости между основными факторами и предложены методики расчета технологических параметров процесса. Однако предложенные методики ограничены решением конкретного процесса, учитывают ограниченное число факторов силовой интенсификации и не дают возможность вести расчет нестационарно протекающих процессов.

Следовательно, задача поиска оптимальных режимов дополнительного силового нагружения путем создания более полной и точной методики расчета технологических параметров процесса гибки листовых заготовок является актуальной.

Объектом исследования являются процессы гибки листовых заготовок в условиях дополнительного радиального нагружения, связанное с ним последующее пружинение и минимальный допустимый радиус изгиба.

Предметом исследования являются параметры процесса гибки и условия формоизменения, влияющие на точность деталей после снятия нагрузки. В частности, напряженно-деформированное состояние и основные геометрические характеристики получаемых деталей с учетом пружинения, а также влияние дополнительного силового нагружения.

Целью исследования является повышение жесткости профилей, полученных гибкой листового материала и уменьшение трудоемкости их изготовления.

Для достижения цели были поставлены и решены следующе задачи:

- теоретический анализ напряженно-деформированного состояния и технологических праметров процессов гибки листових заготовок в условиях дополнительного силового нагружения.

- создание методик расчета напряженно-деформированного состояния и параметров пружинения и радиус изгиба листовых заготовок.

- экпериментальная проверка соответствия решений, полученных при теоретических исследованиях процесса изгиба из листовых материалов. Методологические основы. Теоретические исследования процесса гибки базируются на основных положениях теории пластичности и методах исследовния процессов пластического деформирования листовых заготовок, что позволило решить задачу неосесимметричного деформирования. Теоретические исследования пружинения велись на основе теоремы об упругой разгрузке Ильюшина А.А.

Экспериментальные методы исследования и обработки результатов на образцах натурных заготовок из листового материала.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны новые методы расчета напряженно-деформированного состояния и технологических праметров при гибке с дополнительным радиальным нагружением;

- определены оптимальные режимы гибки с дополнительным радиальным нагружением.

- Исследован процесс одновременного изгиба нескольких заготовок. Апробация работы. Основые результаты диссертации докладывались на научной конференции XXXII академических чтений по космонавтике, проводившихся в МГТУ в 2008 году.

Публикации. Содержание работы изложено в 2 статьях, 5 тезисах докладов к научно-практическим конференциям.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографии. Работа содержит (113) страниц машинописного текста, (25) рисунков, (4) таблицу, список из (79) библиографических источников.

Основные результаты и выводы

1. Обзор литературных данных показывает, что основные исследования процесса изгиба относятся к изгибу под действием изгибающего момента. Эти исследования ограничены решением вопросов конкретных процессов, не учитывают факторы силовой интенсификации, не дают возможность вести расчет нестационарно протекающих процессов.

2. Обзор предыдущих исследований показывает, что дополнительная сжимающая нагрузка увеличивает пластичность материала заготовки и схему напряженно-деформированного состояния в очаге деформации.

3. Разработанная методика расчета процесса изгиба с дополнительным радиальным нагружением показывает, что радиальное нагружение позволяет существенно уменьшить внутренний радиус изгиба (в 1,6-2,0 раза для заготовок из сплава титана ОТ4 и в 2-3 раза для заготовок из Д16АТ) и уменьшить угол пружинения в 1,5-2,0 раза. Результатом является повышение жесткости деталей примерно на 20 %, что дает возможность снизить их массу и улучшить тактико-технические характеристики. Установлено, что результатом является увеличение дальности полета на 1015%. Трудоемкость изготовления снижается за счёт уменьшения доводочных работ.

4. Установлены области рационального использования различных последовательностей нагружения. Экспериментальные результаты показывают, что простое нагружение (изгиб + радиальное сжатие) и нагружение в последовательности (радиальное сжатие - изгиб) уменьшают радиус изгиба и угол пружинения; нагружение в последовательности (изгиб - радиальное сжатие) следует использовать для повышения точности в результате уменьшения угла пружинения.

5. Исследованный новый способ одновременного изгиба нескольких заготовок может быть использован при отсутствии специальной штамповой оснастки. Результаты операции зависят от числа одновременно изгибаемых заготовок и размеров универсальных штампов. При

107 одновременном изгибе трех заготовок из сплава ОТ4 минимальный радиус был уменьшен практически в два раза. Трудоемкость штамповки не увеличивается по сравнению с обычной гибкой.

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

2. Губкин СИ. Пластическая деформация металлов. М., "Металлургиздат.", 1961.

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

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

5. Горбунов М. Н. Определение технологических параметров процесса изгиба с растяжением. Труды МАТИ, вып. 29, 1956.

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

7. Ершов В.И, Глазков В.М, Каширин М.Ф и др. «Совершенствование формоизменяющих операций листовой штамповки». М.,Маш: 1990. 312с.

8. Закиров И.М., Лысов М.И., Абакумов А.И. Исследование процесса гибки-прокатки на двухвалковой гибочной машине. «Кузнечно-штамповочное производство»., 1975.№ 7.

9. Звороно Б.П. Чистый пластический изгиб и выпрямление широкой полосы. "Кузнечно-штамповочное производство", 1966, № I.

10. Ю.Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. Машгиз, 1962.

11. П.Борисов В. Г., Лысов М. И. К вопросу повышения точности формообразования при гибке деталей из профилей. Труды КАЙ. Вып. 84, 1964.

12. Лысов М. И. Теория и расчет процессов изготовления деталей методами гибки. "Машиностроение", М., 1968.

13. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., "Машиностроение", 1968.

14. Самуль В. И. Основы теории упругости и пластичности. Изд. "Высшая школа", Москва, 1970.

15. Мошнин Е.Н.исследование пластического изгиба. Сб. тр. ЦНИИТМАШ, кн.-62, Машгиз, 1954.

16. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. Машиностроение, 1968.

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

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

19. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление материалов пластическому деформированию, машгиз, М., Л., 1961.

20. Смирнов-Аляев Г.А., Механические основы пластической обработки металлов. Машиностроение, Л. 1968.

21. Смирнов-Аляев Г.А., Чикидовский В.П., Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. Машиностроение. Л. 1972.

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

23. Томленов А. Д. Механика процессов обработки металлов давлением. М., Машгиз, 1963.

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

25. Романовский В. П. Деформации и минимальные радиусы при пластическом изгибе. "Вестник машиностроения"!, 1949.

26. Романовский В. П. Справочник по холодной; штамповке. Машиностроение, л., 1971.

27. Романовский В. П. О пластическом изгибе 'Заводская лаборатория', 1948, № 12.

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

29. Качанов JI. М. Основы теории пластичности. М., Гостехнздат, 1956, 324 с.

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

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

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

33. Тарновский И. Я., Поздевв А. А., Ганаго О. А., Колмогоров В. Л., Трубин В. Н., Вайсбурд Р. А., Грановский В.И. Теория обработки металлов давлением. Металлургиздат, М., 1963.

34. Ренне И. П. Исследование пластического изгиба листовых заготовок. Канд. диссертация, 1952.

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

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

37. 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.

38. Ершов В.И., Уваров В.В., Чумадин А.С., Марьин Б.Н. Петров A.M. Иванов Ю.Л., Справочник кузнеца-штамповщика. М. Изд-во МАИ., 1996. 352 с. ил.

39. Малов А. Н. Гибка листового материала. "Вестник машиностроения", 1948, №4.

40. Бродский В. А. Инструмент для изгибания листового материала. Авт. свид. №199076.

41. Штамповка, сварка, пайка, и термообработка титана и его сплавов в авиастроении, /коллектив авторов ; М. Машиностроение, 1997. 660с.

42. Проскуряков Г. В. Способ гибки профилей из листового материала. Авторск. СБИД. № 185827.

43. Прудников М. И. Разрушение и минимальный радиус изгиба. В сб. "Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением", М., 1964.

44. Томсси Э., Яиг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов;:. "Машиностроение", 1969.

45. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Т.1,2. Машиностроение, 1974.46.3айков М. А. Влияние схемы напряженного состояния на сопротивление металла пластической деформации. Тр. Сибирского металлургического института. 1954, № I.

46. Малинин Н.Н. Большие деформации полосы при пластическом изгибе. Известия АН.СССР. Механика. 1965 .№2.

47. Тришевский И.С., Клепанда В.В, Дахновский Э.С. Способ изготовления профилей. Авт. свид. №202857.

48. Войхановский Л.Г. Способ гибки в штампах. Авт. свид. № 85328.

49. Алякриский Б.П., и др. Способ гибки профилей из листового материала. Авт. свид. №122218.

50. Копыский Б. Д. Элементы расчета оснастки и технологии локальной штамповки гибким штампом. "Кузнечно-штамповочное производство", 1972, № 12.

51. Фадеев М.С., Бугров А.А., Лапскер Р.Д. Гибка в двухвалковых листогибочных машинах с полиуретановым покрытием валка. «Вестник машиностроение», 1975.№4.

52. Фадеев М.С., Бугрова А. А., Лапскер Р. Д., Правдина А.Г. Экспериментальные исследования двухвалковой схемы гибки листового материала. В сб. «Исследование и разработка кузнечно-прессовых машин и технологических процессов». Воронеж, 1976.

53. Ходырев В.А. Применение полиуретана в листоштамповочном производстве. Пермское книжное издательство. 1973.

54. Соколов И.А., Грин В.В., Уральский В.И. Упругое пружинение при гибке с применением эластичных сред. Тр. Уральского НИИчермет. 1973.т. 19.

55. Mansell Ivor. Elastromeric forming die. Пат. США кл 72-75, /B2Id 5/001, №3760622.

56. Hill R. Mathematical theory of plasticity. Oxford, 1998. ISBN 0198503679. KA.T 362 s.

57. Mansell Ivor. Elastromeric forming die assembly and die pad for such assembly. Анг. Пат. кл B3E/B2Id 5 /01, №1391603.

58. George Gerand. Determining bend radius via analitycal approach. "Aviation" 1945, №3.

59. Алексеев Ю.Н., Огурек O.H., Кулинов A.A. Пластический изгиб при формообразовании гофрированных панелей методом стесненного изгиба. «Самолетостроение и техника воздушного флота.», вып. 16. изд ХГУ. 1968.

60. Корженевский B.C. Рессорный штамп для гибки панелей. «Авиационная промышленность», 1952, № 2.

61. Проскуряков Г. В. Стесненный "изгиб.-"Авиационная промышленность", 1966, Ш 2.

62. Сирка V., Nalagawa Т., Tiyamoto Н., Kydo Н., Fine bending with counter pressure. "CIRP", 1973. 22 №1, 73-74.

63. Накагава Такэо. Гибка с противодавлением. «Киндзону», 1975, 45, № 10, 56-57.

64. Накагава Такэо. «Пурэсу гидзюцу», 1975, 13,№ 12 76-77.

65. Тарновский И.Я., Поздеев А.А., Ганаго О.А., Деформации и усилия при обработке металлов давлением. Машгиз. 1959.

66. Илюшин А.А, Пластичнось. Гостехиздат. 1948.

67. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. Изд. "Наука", М., 1975.

68. Унксов Е.П. Инженерная теория пластичности. Машгиз. М. 1959.

69. Гоффиан О., Закс Г. Введение в теорию пластичности для инженеров. Машгиз, 1975.

70. Смирнов-Аляев Г.А., Механические основы пластической обработки металлов. Машиностроение, Л., 1968.

71. Материалы в машиностроении. Справочник в 5-ти томах под ред. Кудрявцева И.В. Машиностроение. М. 1967.

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

73. Минимальные радиусы сгиба высокопрочных материалов и сталей. Размеры. Проект ГОСТ ПГ 400-676-73.

74. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Наука. 1971.

75. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Планирование промышленных экспериментов. М., Металлургия. 1974.

76. Кучер П.Н., Методы планирования экспериментов и дисперсионный анализ их результатов. Киев. 1974.

77. Паленов В.В., Теория эксперимента. М. Наука. 1971.

78. Мелентьев П.В. Приближенные вычисления. Государственное издательство физико-математической литературы. М. 1962.