автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование процесса обжима тонкостенных труб в производстве лейнеров газовых баллонов

Шишкин Алексей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛЕЙНЕРОВ ГАЗОВЫХ БАЛЛОНОВ

Специальность: 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва 2013

005540244

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» на кафедре «Технология производства летательных аппаратов»

Научный руководитель:

Чумадин Анатолий Семенович доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Технология производства летательных аппаратов», МАТИ

Официальные оппоненты: Галкин Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор, декан 1 факультета МАТИ

Марковцев Владимир Анатольевич

кандидат технических наук,

ген. директор ОАО «Ульяновский НИАТ»

Ведущая организация:

ФГУП ГКНПЦ имени М.В. Хруничева, г. Москва

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.110.05 при ФГБОУ ВПО «МАТИ — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 523А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАТИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах (заверенных печатью учреждения) просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. З, МАТИ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.110.05.

Автореферат разослан « Щ» МОЯОрЯ 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.110.05, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В изделиях авиационной и ракетно-космической техники широко используются газовые баллоны высокого давления, которые применяются в различных системах: пневматических, противопожарных, кислородных, высотно-компенсирующих (рис. 1).

Рис. 1. Типовое распределение систем с баллонами высокого давления в самолете: 1 - пневматические системы; 2 - противопожарные системы; 3 -кислородные системы; 4 -средства аварийного покидания

В производстве летательных аппаратов особенно остро стоят задачи создания конструкций с минимальной массой, в связи с чем все большее распространение получают металло-полимерные (композитные) баллоны высокого давления. Такие баллоны состоят из двух слоев: внутренней металлической герметичной оболочки (лейнера) и силового полимерно-композитного слоя. При использовании в составе силового слоя материалов, обладающих высокими модулем упругости и пределом прочности, целесообразно применять тонкостенные лейнеры из алюминиевых сплавов.

Традиционные способы изготовления лейнеров баллонов высокого давления связаны с использованием операции сварки, что существенно снижает качество и ресурсные характеристики баллонов, увеличивает их массу и трудоемкость изготовления. Применение операций обжима позволит изготавливать высокоресурсные цельноштампованные лейнеры высокого качества из трубных заготовок или предварительно вытянутых стаканов, однако возможности обжима применительно к изготовлению лейнеров до конца не изучены.

Применение известных методов обжима в производстве лейнеров баллонов высокого давления сдерживается следующими факторами:

1. Конструктивными особенностями баллонов (заданное распределение толщин, минимальная толщина стенки, специальная форма днищ);

2. Неисследованностью процесса обжима на предмет возможности получения изделия с требуемым вышеприведенным комплексом свойств;

3. Ограниченными возможностями обжима тонкостенных заготовок из-за потери устойчивости кромки заготовки в окружном направлении.

Существующие способы расчета технологических параметров процесса обжима в основном построены на инженерных методиках, которые содержат большое количество упрощений и допущений, что делает эти решения приближенными и схематизированными. Кроме того, вопрос потери устойчивости кромки заготовки в окружном направлении изучен недостаточно полно, до сих пор не существует единого представления о механизме данного явления.

Таким образом, исследования процесса обжима тонкостенных заготовок для изготовления баллонов высокого давления являются актуальными.

Объектом исследования являются лейнеры баллонов высокого давления.

Предметом исследования является технологический процесс обжима тонкостенных труб и методы расчета технологических параметров.

Целью исследования является изучение закономерностей пластического деформирования при обжиме тонкостенных труб и разработка методики расчета технологических параметров процесса для обеспечения качества и сокращения сроков технологической подготовки производства лейнеров газовых баллонов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ способов обжима трубных заготовок и методов расчета напряженно-деформированного состояния;

- исследовать механизм потери устойчивости при обжиме кромки тонкостенных заготовок под действием окружных сжимающих напряжений;

- разработать способ прогнозирования потери устойчивости в окружном направлении при обжиме тонкостенных заготовок;

- разработать методику для расчета интенсифицированных процессов обжима трубных заготовок в осевом направлении;

- исследовать процесс обжима особотонкостенных заготовок с технологической вставкой;

- провести опытные работы по изготовлению лейнеров газовых баллонов, в том числе с днищами эллиптической формы.

Методические основы. Теоретические исследования процесса обжима базируются на основных положениях теории пластичности, экспериментальных методах исследования процессов пластического деформирования и численных методах интегрирования дифференциальных уравнений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определены факторы, влияющие на потерю устойчивости в окружном направлении при обжиме тонкостенных заготовок, установлено определяющее влияние неоднородности механических и геометрических свойств заготовки на момент потери устойчивости;

- усовершенствована методика численного расчета процесса обжима в осевом направлении, позволяющая учитывать интенсифицирующие факторы (зональный нагрев, переменная толщина стенки заготовки) и рассчитывать параметры технологического процесса как в стационарном, так и в нестационарном очагах деформации;

- разработана методика расчета процесса обжима тонкостенных труб, позволяющая прогнозировать потерю устойчивости заготовки с учетом интенсифицирующих факторов;

- разработан метод расчета процесса обжима особотонкостенных заготовок с технологической вставкой.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработанные программы расчета процесса обжима на ЭВМ позволяют определять технологические параметры в автоматическом режиме;

- определены температурные и силовые режимы для изготовления лейнеров газовых баллонов, в том числе лейнеров с днищами эллиптической формы;

- сформулированы технологические рекомендации для изготовления тонкостенных лейнеров баллонов высокого давления обжимом трубных заготовок, обеспечивающие снижение трудоемкости и получение бесшовных изделий;

- разработана технология и изготовлены опытные образцы тонкостенных лейнеров газовых баллонов для ОАО «НПП «Звезда» имени академика Г.И.Северина».

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, современным математическим аппаратом и экспериментальной проверкой.

Личный вклад соискателя. Все основные теоретические и экспериментальные положения диссертации выполнены соискателем лично. Соискатель лично программировал и отлаживал исходные тексты компьютерных программ.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 12 публикациях, в том числе в 5 научных статьях, 3 из которых опубликованы в журналах рекомендованных ВАК, и 6 тезисах докладов на российских и международных научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка использованных литературных источников из 93 наименований, и материалов приложений. Текст диссертации изложен на 196 страницах и содержит 125 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и научная новизна диссертационной работы, дана ее общая характеристика, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе работы приведен коиструкторско-технологический анализ и показана область применения баллонов высокого давления в авиационной и ракетно-костической технике. Выполнен обзор состояния вопроса, рассмотрены и проанализированы основные существующие способы обжима трубных заготовок и методы интенсификации данного процесса.

Рассмотрены существующие способы расчета технологических параметров и предельных возможностей обжима. Наиболее изученным способом обжима является обжим осевьм сжимающим напряжением по жесткой матрице. В работах Ю.А. Аверкиева, Е.А. Попова, М.Н. Горбунова, М.В. Сторожева, О.В. Попова расчет напряженно-деформированного состояния процесса обжима представлен инженерным методом. В публикациях А.Г. Пашкевича приведен расчет обжима методом приближенного интегрирования. Известны также методы численного решения исходной системы уравнений, разработанные применительно к процессам осесимметричного деформирования, и программные продукты, где решение реализовано методом конечных элементов.

Расчет на устойчивость в окружном направлении при обжиме тонкостенных заготовок рассмотрен в работах А.Г. Пашкевича и A.B. Орехова.

Анализ существующих способов обжима и литературы показал актуальность темы, необходимость дополнительных исследований данного вопроса и позволил сформулировать цели и задачи исследования.

Во второй главе проведены теоретические исследования процесса обжима тонкостенных и особотонкостенных трубных заготовок.

В ходе теоретического исследования были решены три основные задачи:

1. Задача по расчету напряженно-деформированного состояния процесса обжима тонкостенных трубных заготовок по жесткой матрице с учетом интенсифицирующих факторов в нестационарном и стационарном очагах деформации, включая устойчивость заготовки в меридиональном направлении.

2. Задача по расчету устойчивости кромки тонкостенных заготовок в окружном направлении.

3. Задача по расчету напряженно-деформированного состояния при обжиме особотонкостенных заготовок с технологической вставкой.

Первая задача решена методом численного решения исходной системы уравнений. При совместном решении исходной системы уравнений получена математическая модель процесса обжима в виде дифференциального уравнения распределения толщины стенки по радиусу:

4£ ? "г Р и \ ИР

с13 ЗО е,е,„ О яша

и (ТЙ | Е п Де,

—+— -2—риг--

в, Яо) р е, ар

ар Р С /. ч 4£ 2 и (2е„ + е„

5 О 3£) е,е(0 V 5

где 5,р,сс - соответственно толщина стенки, радиус и угол между осью симметрии и

касательной к текущему элементу получаемой детали;

рс,ас - теже геометрические параметры применительно к заготовке;

// - коэффициент трения между деталью и матрицей; Механические свойства материала учитываются зависимостью: о-.у = ■ (2)

где А, п - константы, получаемые путем аппроксимации экспериментальных кривых упрочнения.

При решении задачи исходная заготовка разбивается на кольцевые элементы с высотой ДН (рис. 2), далее для каждого элемента решается уравнение (1). Решение осуществляется на ЭВМ методом численного интегрирования (по Эйлеру) в последовательности:

5 = 5г+/(5г,рг)Др,;

5, =5,+/(5'„р,)Др2; (3)

5 = 5„_,+Л5„_1р„_1)Др„. где , р1 — соответственно толщина и радиус г'-го элемента оболочки-детали; Ар, — шаг оГ

интегрирования; о , р — граничные условия, соответственно толщина стенки и радиус граничного элемента оболочки-детали.

Граничные условия (5 Г ,рГ) для решения уравнения (1) определяется на кромке детали по выражению:

у7)

(4)

где Р - величина осевого подпора кромки заготовки в относительных единицах;

Рис. 2. К расчету напряженно-деформированного состояния при обжиме

Приведенная модель (1) позволяет рассчитать напряженно-деформированное состояние заготовок при обжиме по жесткой матрице, учитывая геометрические параметры исходной заготовки, ее механические характеристики и интенсифицирующие факторы. По модели (1) позволяет производить расчет в несколько этапов с учетом промежуточных форм детали. Решение реализовано на ЭВМ в виде управляющей программы.

При расчете обжима с образованием цилиндрической части (горловины) сначала рассчитывается процесс обжима до необходимого радиуса кромки. Затем принимается, что несколько крайних элементов (от 3 до 10) переходят в цилиндрическую часть не деформируясь, а оставшаяся часть детали считается заготовкой для очередного расчета. Далее выполняется расчет относительно последующих элементов до того же радиуса кромки, и снова несколько элементов отправляются в цилиндрическую часть и т. д.

Предельные возможности деформирования по моменту потери устойчивости заготовки в меридиональном направлении в зоне передачи усилия определяются выражением

|ст| > 1,155 От, (5)

где о, - предел текучести материала в зоне передачи усилия.

С использованием модели (1) были определены предельные коэффициенты обжима труб по жесткой матрице из условия устойчивости в осевом направлении в зависимости от формы рабочей поверхности матрицы и коэффициента трения (рис. 3).

//• / /

/ / / / / ! '

/ •Л

0,4 0.5 0,6 0.7 0,8

Коэффициент обжима K0=p/Rfl

Рис. 3. Изменение предельных возможностей обжима в зависимости от геометрии матрицы и

коэффициента трения из условия устойчивости заготовки в зоне передачи усилия:.....коническая

матрица с углом а = 10°; _._._ коническая матрица с углом а = 20°;___конические матрицы с

углами а = 30° и а = 45°;_сферическая матрица

Из рис. 3 видно, что наибольшее формоизменение возможно в сферической матрице.

Недостатком вышеприведенной модели является то, что она не прогнозирует момент потери устойчивости в окружном направлении, т.е. она может определить предельные возможности обжима только для толстостенных заготовок, когда относительная толщина стенки трубы S/D > 2-3 %.

На рис. 4 приведены графики распределения толщины стенки деталей при обжиме с переменным нагревом с образованием цилиндрического участка в зависимости от геометрии рабочей поверхности матрицы. Видно, что при уменьшении текущего радиуса матрицы толщина детали увеличивается, а максимальная толщина достигается в месте перехода детали в цилиндрический участок.

Для учета изменения механических свойств материала при переменном нагреве использовалась степенная аппроксимация кривой упрочнения на основе справочных данных, полученная методом итераций.

Изменять распределение толщины стенки детали можно, управляя распределением температуры нагрева. В некоторых случаях, как показывают расчеты, целесообразно применять профилированные по толщине трубные заготовки. На рис. 5 показана

возможность управления распределением толщины получаемой детали при обжиме с переменным нагревом профилированных заготовок.

2,2 2,0 1,8 1,6 г? й 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6

//.

г'

V

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,( .....ыъ„ 0,2 0,6 1,0

Рис. 4. Распределение толщины детали по образующей в зависимости от геометрии матрицы при обжиме с переменным нагревом: 1 - коническая матрица с углом а = 10 ; 2 -коническая матрица с углом а = 20 ; 3 - коническая матрица с углом а = 30 ; 4 -

сферическая матрица;_толщина на образующей матрицы;__толщина

цилиндрического участка;

______________________________________ >>К._______________________________________

Рис. 5. Распределение толщины детали при обжиме различных профилированных по толщине заготовок:... с утонением;___с утолщением;_равнотолщинная

Во второй части теоретического исследования решены две задачи:

1. Исследован механизм потери устойчивости кромки тонкостенной заготовки в окружном направлении при обжиме.

2. Разработана математическая модель потери устойчивости элемента кромки заготовки от окружных сжимающих напряжений.

Механизм потери устойчивости в окружном направлении показан на примере обжима тонкостенной кольцевой заготовки. Предполагается, что потеря устойчивости

вызывается неоднородностью геометрических и механических свойств материала заготовки. Процесс потери устойчивости происходит в два этапа. На первом этапе в результате наличия неоднородности возникает локальное утолщение заготовки, из-за которого появляется изгибающий момент, «отрывающий» часть заготовки от матрицы (рис. 6) на длине «а»:

а = 2т]2рАЯ , (6)

где а - длина зоны внеконтактной деформации при переходе кольцевой заготовки из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое; р - текущий радиус матрицы; ДБ -величина локального приращения толщины (разнотолщинность).

На втором этапе рассматривается деформирование распрямленной части заготовки на участке «а», которая может «просто» утолщаться или потерять устойчивость в виде складки (гофра). Определив из геометрических соображений угол изгиба ср при перемещении кольцевой заготовки по матрице на величину Др, с учетом некоторых допущений получена максимальная величина перемещения кромки кольцевой заготовки без потери устойчивости.

Заготовка

Контур матрицы

Рис.6. Схема изгиба заготовки при переходе из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое

Применительно к процессу сжатия заготовки условие потери устойчивости

имеет вид:

Д£>-•<?>, 4

(7)

где ЛЬ - уменьшение длины при сжатии заготовки; Э - толщина образца, (р - угол изгиба при образовании складки;

Из разработанного механизма потери устойчивости заготовки в окружном направлении установлено влияние исходной и накопленной неоднородности механических и геометрических свойств заготовки в окружном направлении, а также контактного давления.

Математическая модель появления разнотолщинности при обжиме разработана путем решения задачи М-К-теории предельного деформирования в обратной постановке. Путем совместного решения исходной системы уравнений получено дифференциальное уравнение распределения толщины по длине детали, которое имеет вид:

Аа]пС ч 2а]п ¿£.а „ с!а , „ . ,

,„ "т-т--<гвВ{2ат - <тв)--г--+ 2—ааАе?ст, зт(а„)

сК ЗвЛе, е, аЬ аь

<И

0-£-<теС(2стт-сте) +

4ст>(2Д£„ - Де„)

(8)

Данная математическая модель (8) позволяет рассчитать напряженно-деформированное состояние при сжатии тонкой полосы, а так же получить величину накопленной разнотолщинности. Решение выполняется аналогично выражению (1), методом численного интегрирования в последовательности (3).

Считаем, что заготовка имеет исходную разнотолщинность и неоднородность механических свойств заданные по закону косинуса с различными периодами (рис. 7). I

/_4_

Рис. 7. Принятый характер исходной разнотолщинности и неоднородности механических свойств заготовки

о» / Неоднородность выражениями:

а5 = кАе";

механических свойств при деформировании задается

(9)

(10)

к = а„соъ{аг,)+ек.

где к - коэффициент изменения механических свойств; а„ - амплитуда изменения механических свойств; а„ - угол наклона кривой распределения механических свойств на ¿-том участке; еу. — средний коэффициент механических свойств.

Для определения момента потери устойчивости после выполнения решения уравнения (8) выполняется расчет на устойчивость по выражению (7).

Методика определения момента окружной потери устойчивости при обжиме трубных заготовок состоит в том, что поэтапно выполняется расчет по модели (1), после каждого расчетного этапа производится проверка на устойчивость заготовки по модели (8), подставляя толщину кромки заготовки и ее радиус.

В третьей части теоретического исследования разработана методика расчета обжима особотонкостенных трубных заготовок с помощью технологической вставки (рис.

8) инженерным методом, здесь потеря устойчивости предотвращается повышением контактного давления.

Вначале рассматриваем деформирование особотонкой заготовки. Путем совместного решения уравнения равновесия и приближенного условия пластичности, интегрируя согласно граничным условиям (при р = Яо у основания заготовки аш = 0) получено уравнение для расчета меридиональных напряжений:

= 1п— <т33 + А/І---

Р I tga■Sí

(П)

технологическая

Рис. 8. Расчетная схема обжима трубной заготовки осевым усилием с помощью технологической вставки

Вначале рассматриваем деформирование тонкой заготовки. Путем совместного решения уравнения равновесия и приближенного условия пластичности, интегрируя согласно граничным условиям (при р = Яо у основания заготовки от = 0) получено уравнение для расчета меридиональных напряжений:

р

(12)

Для учета влияния трения на процесс обжима особотонкостенной заготовки с технологической вставкой определяющим фактором будет не порядок значений коэффициентов трения, а разница между ними Дц.

Толщина стенки на текущем участке заготовки определяется по формуле:

5 = 5Г

Л

(13)

Необходимо отметить, что в связи с принятым условием пластичности выражение (12) будет иметь действительные решения только при таких значениях Др., при которых меридиональные напряжения от будут оставаться положительными.

Процесс деформирования технологической вставки рассматривается как обжим толстостенной заготовки с подпором кромки. Аналогично выводу выражения (12) поучаем уравнение для расчета меридиональных напряжений:

где Якр - радиус на кромке заготовки, ат* = ат (во / йов) - напряжение подпора, создаваемое тонкостенной заготовкой. Толщина стенки считается так же как на заготовке.

Полученные выражения могут быть применены для расчета обжима по сферической матрице, при этом необходимо использовать осредненное значение параметра ^ для учета контактного трения.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований. Описаны методики проведения экспериментов, используемое оборудование, оснастка и инструмент.

Экспериментальные работы решали следующие задачи:

- исследование механических свойств используемых материалов при сжатии;

- исследование механизма потери устойчивости от окружных сжимающих напряжений при обжиме труб;

- исследование процесса обжима тонкостенных трубных заготовок;

- исследование обжима особотонкостенных трубных заготовок с технологической вставкой;

- опытные работы по изготовлению лейнеров баллонов высокого давления. Исследования механических свойств материалов проводилось по схеме,

показанной на рис. 9.

основание

Рис. 9. Схема испытания листового материала на сжатие

В результате испытаний на сжатие получены кривые упрочнения (рис. 10), которые значительно отличаются от кривых, полученных при одноосном растяжении.

Интенсивность деформаций £,

а)

Интенсивность деформации ei б)

Рис. 10. Кривые упрочнения при одноосном сжатии материалов АМгбМ (а) и Д16АМ (б)

Исследования механизма потери устойчивости производились в два этапа. На первом этапе исследовалась равномерность процесса деформирования кромки заготовки при обжиме с помощью тензометрических резисторов. Было установлено, что процесс сжатия на измеряемом участке заготовки происходит неравномерно.

На втором этапе исследования механизма потери устойчивости от окружных сжимающих напряжений проводились испытания по одноосному сжатию листовых заготовок на вогнутом основании (рис. 11).

Рис. 11. Схема испытания на устойчивость при сжатии полосы." 1 - заготовка, 2 - упор, 3 - толкатель, 4 - основание

Заготовки сжимались в несколько этапов до потери устойчивости, периодически выполнялось измерение распределения толщины на деформированном участке заготовки. Установлено, что при сжатии заготовок на них появляются области локальных утолщений, в дальнейшем в зоне наибольшей разнотолщинности происходит потеря устойчивости образца.

Эксперименты по обжиму трубных заготовок проводились с целью подтверждения корректность разработанных математических моделей и методик расчета. На рис. 12 показаны расчетные графики распределения толщины детали при обжиме в матрицу со сферической образующей и экспериментальные точки. Длина цилиндрического участка на

кромке детали Ьо = В мм. Наиболее близкие к экспериментальным данным значения получены при ц = 0,1.

Рис. 12. Распределение толщины детали по образующей при обжиме в сферическую матрицу: 1 - расчет по модели (1) без учета трения; 2 - расчет по модели (1)

со значением ц = 0,1;_толщина на образующей;___толщина цилиндрического

участка; ■ эксперимент

Сравнение опытных и расчетных параметров заготовок из условия потери устойчивости в окружном направлении приведены на рис. 13. Расчет выполнялся в два этапа. В начале, по математической модели обжима (1) рассчитывалась распределение толщины детали при обжиме, затем по модели потери устойчивости (9) проверялось условие образования гофра при сжатии элемента кромки по полученным значениям ее толщины и радиуса.

1,6

0,8 0,6

0,2

1 " Нет потери

1/3

2 4 \V

- Пот И

t

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

Коэффициент обжима К„ = Rr / рс

1.0

Рис. 13. Зависимость минимальной относительной толщины стенки Sc/D0 исходной трубы от требуемой величины обжатия К0 применительно к деформированию заготовок из сплава АМгб при различных значениях неоднородности механических свойств: 1 - 8%; 2 — 10%; 3 - 12%;_расчет по моделям (1), (8); ■ эксперимент

Обжим особотонкостенных заготовок выполнялся путем приложения осевого усилия к кромке заготовки с помощью технологической вставки в холодном состоянии. На рис. 14 представлены расчетные графики распределения толщины детали и вставки по образующей матрицы и экспериментальные точки. Расчет выполнялся при различных коэффициентах трения между заготовкой и технологической вставкой.

1,4

1,0 0.» 0,6 0,4 0,2 0,0 0 ■

6 0,7 0,8 0,9 1,0 р/Я0

Рис. 14. Распределение толщины при обжиме тонкостенной заготовки по

образующей матрицы при различных коэффициентах трения:_расчет при значении

Дц= -0,01;___расчет при значении Дц= 0;......расчет при значении Дц= 0,01;

■ эксперимент

По графикам видно, что наиболее близкие к экспериментальным расчетные значения получаются при значении Дц,= -0,01.

Проведены опытные работы по изготовлению лейнеров газовых баллонов путем обжима концов трубных заготовок. В связи с особенностями технологии изготовления композитных баллонов лейнеры должны иметь днища специальной эллиптической формы. Для придания необходимой формы после обжима применялась калибровка днищ эластичной средой в двух вариантах (рис. 15). Полученный лейнер показан на рис. 16.

Для определения возможностей обжима тонкостенных заготовок в условиях окружной потери устойчивости были проведены эксперименты по обжиму тонкостенных трубных заготовок с относительно толщиной < 2%, в которых всегда наступает потеря устойчивости от окружных сжимающих напряжений.

Было предложено и исследовано два новых способа исключения дефекта: механическое удаление дефекта с частью заготовки и исправление дефекта. Экспериментальные исследования показали, что оба эти способа принципиально реализуемы как по ходу процесса обжима, так и в многопереходном процессе.

а) б)

Рис. 15. Схемы калибровки днищ лейнеров: а) односторонняя: 1 - заготовка, 2 - эллиптическая матрица, 3 - заглушка,

4 - резиновый буфер, 5 - пуансон; б) двухсторонняя: 1 - заготовка, 2 - эллиптическая матрица, 3 - обойма, 4 - заглушка, 5- жидкость

Рис. 16. Лейнер с эллиптическими днищами, полученный из трубы 0100x2 АМгбМ

Наиболее перспективным является второй способ, реализованный в виде прокатки кромки заготовки двумя роликами на токарном станке. Данный способ обеспечивает лучший коэффициент использования материала и может использоваться для изготовления лейнеров баллонов высокого давления, т.к. он реализуется при одностороннем подходе к кромке заготовки.

Для деформирования особотонкостенных труб может быть рекомендован обжим с технологической вставкой.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований в работе разработан технологический процесс и сформулированы технологические рекомендации по изготовлению цельноштампованных лейнеров баллонов высокого давления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что известные технологические способы обжима трубных заготовок имеют недостатки, связанные с ограниченными возможностями получения лейнеров баллонов с заданным комплексов свойств (распределение толщины стенки, механические свойства, форма горловины и др.). Традиционные методы расчета напряженно-деформированного состояния носят, в основном, приближенный характер. Они, обычно, не учитывают интенсифицирующие факторы, и применимы для расчета обжима относительно толстостенных заготовок при отношении толщины стенки к ее диаметру более 2%.

2. В результате теоретических исследований разработана новая методика прогнозирования потери устойчивости тонкостенных заготовок при обжиме, которая включает в себя усовершенствованную модель обжима трубных заготовок и модель потери устойчивости кромки тонкостенной трубных заготовок от окружных сжимающих напряжений.

3. Разработана методика численного расчета на основе усовершенствованной математической модели процесса обжима труб, которая дает возможность рассчитать напряженно-деформированное состояние и технологические параметры процесса с учетом интенсифицирующих факторов (нагрев, переменная толщина заготовки, дополнительное силовое воздействие).

4. Разработана новая математическая модель окружной потери устойчивости кромки трубной заготовки при обжиме, которая дает возможность определять количественное влияние различных факторов на предельные возможности обжима тонкостенных заготовок, что позволяет определить пути деформирования заготовки в конкретном процессе и сформулировать технологические рекомендации.

5. Разработанные программы расчета процесса обжима тонкостенных заготовок на ЭВМ обеспечивают расчет необходимых технологических параметров и сокращают сроки технологической подготовки производства при изготовлении лейнеров.

6. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие корректность разработанных методик расчета. Сформулированы технологические рекомендации для изготовления бесшовных лейнеров газовых баллонов путем обжима труб, в том числе из особотонкостенных заготовок.

7. Разработана опытная технология и изготовлены образцы тонкостенных цельноштампованных лейнеров газовых баллонов для ОАО «НПП «Звезда» имени академика Г.И. Северина».

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Шишкин, A.A. Методы предотвращения потери устойчивости при обжиме тонкостенных труб / A.A. Шишкин // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. Сборник трудов к 70-летию кафедры «Технология производства летательных аппаратов». - М., 2010. - С. 43-44.

2. Чумадин, A.C. Исследование процесса обжима тонкостенных труб / A.C. Чумадин, A.A. Шишкин // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. -М., 2012. — № 11. - С. 14-19.

3. Шишкин, A.A. Об обжиме особотонкостенных трубных заготовок / A.A. Шишкин // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Электрон, журн. - 2013. - № 3. - Режим доступа: http://technomag.edu.ru. - DOI: 10.7463/0313.0542068

Другие публикащи:

4. Чумадин, A.C. Механизм потери устойчивости при обжиме кольца / A.C. Чумадин, В.И. Ершов, A.A. Шишкин //Труды МАТИ. Вып. 17 (89). - 2010. - С. 182-186.

5. Чумадин, A.C. О потере устойчивости при обжиме кольца / Чумадин A.C., Шишкин A.A. // Научные труды. Выпуск 18(90). -М.: МАТИ, 2011. - С. 105-109.

Материалы конференции:

6. Шишкин, A.A. Исследование технологии изготовления тонкостенных корпусов / A.A. Шишкин // XXXVI Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения». -М.: МАТИ, 2010. - С. 30.

7. Чумадин, A.C. Способы предотвращения потери устойчивости при обжиме труб / A.C. Чумадин, A.A. Шишкин // Всероссийская НТК «Новые материалы и технологии». - М.: МАТИ, 2010.-С. 37-38.

8. Чумадин, A.C. Исследование потери устойчивости при обжиме кольца / A.C. Чумадин, В.И. Ершов, A.A. Шишкин // Актуальные проблемы российской космонавтики. Материалы XXXV академических чтений по космонавтике. - М: МГТУ, 2011. - С. 556-557.

9. Шишкин, A.A. Расчет напряженно-деформированного состояния процесса обжима трубных заготовок / A.A. Шишкин // XXXVII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения». - М.: МАТИ, 2011. - С. 219-220.

10. Шишкин, A.A. Исследование механических свойств материалов при одноосном сжатии /A.A. Шишкин // XXXVIII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения». -М.: МАТИ, 2012. - С. 34-35.

11. Чумадин, A.C. Экспериментальные исследования потери устойчивости при обжиме кольца / A.C. Чумадин, A.A. Шишкин // Материалы XXXVI академических чтений по космонавтике. - М.: МГТУ, 2012. - С. 522-523.

12. Шишкин, A.A. Теоретическое исследование обжима тонкостенных труб /A.A. Шишкин // Материалы симпозиума с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы». - Самара: СГАУ, 2012.

Типография ОАО «НПП «Звезда» Формат 60x84/16. Усл. печ.л. 1. Тираж 100.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный

технологический университет имени К. Э. Циолковского»

04201451825

На правах рукописи

Шишкин Алексей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛЕЙНЕРОВ ГАЗОВЫХ БАЛЛОНОВ

Специальность: 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: проф., д.т.н. Чумадин А. С.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................5

Глава 1. ОБЗОР СПОСОБОВ ОБЖИМА И СПОСОБОВ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ..............................11

1.1. Применение и конструкции газовых баллонов высокого давления............11

1.2. Применение операции обжима и основные проблемы...........................16

1.3. Анализ существующих способов обжима трубных заготовок..................18

1.4. Способы интенсификации процесса обжима.......................................23

1.4.1. Силовая интенсификация........................................................24

1.4.2. Термическая интенсификация..................................................28

1.4.3. Интенсификация за счет применения высоких скоростей деформации........................................................................30

1.4.4. Обжим в режиме сверхпластичности.........................................31

1.4.5. Косвенные методы интенсификации..........................................31

1.5. Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния при обжиме...........................................................................................33

1.5.1. Инженерные методы расчета........................................................33

1.5.2. Численные методы расчета..........................................................46

1.6. Методы расчета на устойчивость в окружном направлении при обжиме тонкостенных труб..............................................................................50

1.7. Выводы. Цель и задачи исследования...............................................54

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК......................................................................................57

2.1. Схема процесса обжима и постановка задачи.....................................57

2.2. Математическая модель обжима.....................................................60

2.2.1. Расчет напряженно-деформированного состояния при обжиме...........64

2.2.2. Механизм потери устойчивости в окружном направлении при обжиме по жесткой матрице.............................................................................79

2.2.3. Математическая модель потери устойчивости от окружных сжимающих напряжений.................................................................................86

2.2.4. Расчет на устойчивость при сжатии тонких полос на вогнутом цилиндрическом основании.............................................................88

2.3. Разработка методики инженерного расчета обжима особотонкостенных заготовок...............................................................................................................93

2.4. Выводы....................................................................................100

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК.............................................................................101

3.1. Условия проведения экспериментов................................................101

3.2. Исследование механических свойств материалов при сжатии...............107

3.3. Исследование механизма потери устойчивости в окружном направлении при обжиме..........................................................................................111

3.4. Исследование процесса обжима трубных заготовок............................118

3.4.1. Обжим осевым усилием, приложенным к торцу заготовки..............118

3.4.2. Обжим особотонкостенных заготовок при помощи технологических вставок......................................................................................126

3.5. Экспериментальные работы по изготовлению лейнера для газового баллона высокого давления.................................................................................128

3.6. Технологические рекомендации....................................................137

3.7. Выводы...................................................................................138

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................................140

Список литературы.............................................................................142

Приложение 1. Программа расчета процесса обжима по сферической матрице с

образованием цилиндрического участка с учетом термической

интенсификации «OBZH-SF.BAS» и результаты расчета..........150

Приложение 2. Программа расчета процесса обжима по конической матрице с образованием цилиндрического участка с учетом термической интенсификации «OBZH-KON.BAS» и результаты расчета при а= 20°.....................................................................................166

Приложение 3. Программа по прогнозированию потери устойчивости в окружном направлении при обжиме тонкостенных заготовок «PU.BAS»....185 Приложение 4. Укрупненный технологический процесс изготовления лейнера

газового баллона с эллиптическими днищами.......................192

Приложение 5. Акт внедрения результатов диссертационной работы на ОАО «НПП

«Звезда» имени академика Г.И.Северина»...........................195

Приложение 6. Акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс в «МАТИ - РГТУ имени К.Э.Циолковского»..............196

ВВЕДЕНИЕ

В изделиях авиационной и ракетно-космической техники широко используются газовые баллоны высокого давления, которые применяются в различных системах: пневматических, противопожарных, кислородных, высотно-компенсирующих. Так же в настоящее время разрабатываются катапультные системы для легких самолетов гражданской авиации, работающие на энергии сжатого газа, в качестве аккумуляторов энергии таких систем применяются баллоны высокого.

В производстве летательных аппаратов особенно остро стоят задачи создания конструкций с минимальной массой, в связи с чем все большее распространение получают металло-полимерные (композитные) баллоны высокого давления. Такие баллоны состоят из двух слоев: внутренней металлической герметичной оболочки (лейнера) и силового полимерно-композитного слоя. С появлением материалов, обладающих высокими модулем упругости и пределом прочности (углепластик, арамидное волокно), стало целесообразно применять их в составе силового слоя в сочетании с лейнером минимальной прочности, что позволяет максимально снизить массу конечного продукта.

Относительно суммарной трудоемкости изделий в авиа- и ракетостроении трудоемкость деталей изготовленных штамповкой составляет порядка 16 %, что в абсолютных значениях представляет существенную величину [1-4]. Технология изготовления деталей во многом определяет ресурс, трудоемкость, а так же себестоимость конечного изделия. В связи с ростом требований к экономическим и качественным характеристикам выпускаемой продукции совершенствование существующих технологических процессов, а также разработка новых технологий является важной задачей обработки металлов давлением.

Традиционные способы изготовления лейнеров баллонов высокого давления связаны с использованием операции сварки (обечайки, днищ и горловины), что существенно снижает качество и ресурсные характеристики баллонов, увеличивает их массу и трудоемкость изготовления. Применение операции обжима позволит изготавливать высокоресурсные цельноштампованные лейнеры высокого качества

из трубных заготовок или предварительно вытянутых стаканов, однако возможности обжима до конца не изучены.

Существующие технологические способы обжима позволяют успешно деформировать относительно толстостенные трубные заготовки. Процесс деформирования тонкостенных заготовок гораздо менее исследован, что порождает множество проблем в его практическом использовании. Наибольшую сложность при обжиме тонкостенных труб вызывает склонность к образованию продольных складок в очаге деформации. Существующие методы интенсификации позволяют частично решить данную проблему, но, как правило, требуют больших затрат на сложную оснастку и дополнительные исследования для успешного применения на практике.

Таким образом, применение известных методов обжима в производстве лейнеров баллонов высокого давления сдерживается следующими факторами:

1. Конструктивными особенностями баллонов (заданное распределение толщин, минимальная толщина стенки, специальная форма днищ);

2. Ограниченными возможностями обжима тонкостенных заготовок из-за потери устойчивости кромки заготовки в окружном направлении;

3. Неисследованностью процесса обжима на предмет возможности получения изделия с требуемым комплексом свойств.

Существующие способы расчета технологических параметров процесса обжима в основном построены на инженерных методиках, которые содержат большое количество упрощений и допущений, что делает эти решения приближенными и схематизированными. Кроме того, вопрос потери устойчивости кромки заготовки в окружном направлении изучен недостаточно, до сих пор не существует единого представления о механизме данного явления.

В результате, применение операции обжима на каждой заготовке с новым типоразмером влечет за собой большое количество опытных работ по отработке технологического процесса. Этот факт указывает на необходимость дополнительных теоретических исследований данного процесса для разработки эффективных методик расчета основанных, в том числе, на численных методах расчета с применением ЭВМ.

Поэтому исследование процесса обжима, разработка новых технологических процессов и методик расчета технологических параметров для производства лейнеров являются актуальными.

Настоящая диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского», где были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретическом плане работа связана с совершенствованием методик расчета процесса обжима трубных заготовок при изготовлении лейнеров баллонов высокого давления, основанных на исследованиях российских и зарубежных ученых, таких как Ю.А. Аверкиев, Е.А. Попов, А.Г. Пашкевич, М.Н. Горбунов, М.В. Сторожев, О.В. Попов, В.И. Ершов и другие.

Объектом исследования являются лейнеры баллонов высокого давления.

Предметом исследования является технологический процесс обжима тонкостенных труб и методы расчета технологических параметров.

Целью исследования является изучение закономерностей пластического деформирования при обжиме тонкостенных труб и разработка методики расчета технологических параметров процесса для обеспечения качества и сокращения сроков технологической подготовки производства лейнеров газовых баллонов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ способов обжима трубных заготовок и методов расчета напряженно-деформированного состояния;

- исследовать механизм потери устойчивости при обжиме кромки тонкостенных заготовок под действием окружных сжимающих напряжений;

- разработать способ прогнозирования потери устойчивости в окружном направлении при обжиме тонкостенных заготовок;

- разработать методику для расчета интенсифицированных процессов обжима трубных заготовок в осевом направлении;

исследовать процесс обжима особотонкостенных заготовок с технологической вставкой;

- провести опытные работы по изготовлению лейнеров газовых баллонов, в том числе с днищами эллиптической формы.

Методические основы. Теоретические исследования процесса обжима базируются на основных положениях теории пластичности, методах исследования процессов пластического деформирования и численных методах интегрирования дифференциальных уравнений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определены факторы, влияющие на потерю устойчивости в окружном направлении при обжиме тонкостенных заготовок, установлено определяющее влияние неоднородности механических и геометрических свойств заготовки на момент потери устойчивости;

- усовершенствована методика численного расчета процесса обжима в осевом направлении, позволяющая учитывать интенсифицирующие факторы (зональный нагрев, переменная толщина стенки заготовки) и рассчитывать параметры технологического процесса как в стационарном, так и в нестационарном очагах деформации;

- разработана методика расчета процесса обжима тонкостенных труб, позволяющая прогнозировать потерю устойчивости заготовки с учетом интенсифицирующих факторов;

- разработан метод расчета процесса обжима особотонкостенных заготовок с технологической вставкой.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработанные программы расчета процесса обжима на ЭВМ позволяют определять технологические параметры в автоматическом режиме;

- определены температурные и силовые режимы для изготовления лейнеров газовых баллонов, в том числе лейнеров с днищами эллиптической формы;

- сформулированы технологические рекомендации для изготовления тонкостенных лейнеров баллонов высокого давления обжимом трубных заготовок, обеспечивающие снижение трудоемкости и получение бесшовных изделий;

- разработана технология и изготовлены опытные образцы тонкостенных лейнеров газовых баллонов для ОАО «НПП «Звезда» имени академика Г.И.Северина».

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, современным математическим аппаратом и экспериментальной проверкой.

Личный вклад соискателя. Все основные теоретические и экспериментальные положения диссертации выполнены соискателем лично. Соискатель лично программировал и отлаживал исходные тексты компьютерных программ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Международная молодежная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения» (Секция № 5. 2010 год), Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» (Секция № 3.1. 2010 год), Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXV академические чтения (Секция № 19. 2011 год), Международная молодежная научная конференция «XXXVII Гагаринские чтения» (Секция № 5. 2011 год), Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXVI академические чтения (Секция № 19. 2012 год), Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» (Секция № 3.1. 2012 год).

Публикации. Основные результаты работы отражены в 12 публикациях, в том числе в 5 научных статьях, 3 из которых опубликованы в журналах рекомендованных ВАК, и 7 тезисах докладов на российских и международных научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, общих выводов, библиографии и материалов приложений.

В главе 1 работы дан обзор состояния вопроса, рассмотрены и проанализированы основные существующие способы обжима трубных заготовок и методы интенсификации данного процесса. Так же рассмотрены существующие способы расчета технологических параметров и предельных возможностей обжима.

Анализ существующих способов показал необходимость дополнительных исследований данного вопроса и позволил сформулировать цели и задачи исследования.

В главе 2 проведены теоретические исследования процесса обжима трубных заготовок. Разработаны математические модели для расчета напряженно-деформированного состояния и определения предельных возможностей обжима. Исследован механизм потери устойчивости кромки тонкостенной заготовки в окружном направлении при обжиме. Разработана методика инженерного расчета обжима особотонкостенных заготовок.

Проведены расчеты распределения толщин, напряжений и деформаций по образующей детали при обжиме, что позволяет моделировать процесс обжима тонкостенных заготовок.

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований. Дана методика проведения эксперимента, описаны оборудование, приборы и инструмент. Приведены результаты экспериментов по обжиму трубных заготовок различных типоразмеров, а также исследование механизма потери устойчивости в окружном направлении при обжиме. Дано сопоставление результатов опытных и теоретических работ.

Проведены опытные работы по изготовлению лейнеров газовых баллонов путем обжима концов трубных заготовок с последующей калибровкой формы днищ эластичной средой.

В материалах приложений приведены тексты программ и результаты расчетов процессов обжима трубных заготовок, расчетов на устойчивость и акты внедрения.

1. ОБЗОР СПОСОБОВ ОБЖИМА И СПОСОБОВ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

1.1. Применение и конструкции газовых баллонов высокого давления Применение баллонов высокого давления

Газовые баллоны высокого давления широко применяются в авиа- и ракетостроении в составе различных пневматических и кислородных систем, в противопожарных системах, а так же в средствах аварийного жизнеобеспечения и спасения экипажа и пассажиров самолетов (рис. 1.1).

Пневматические системы работают за счет использования энергии сжатого газа, который одновременно является и рабочим телом, они используются в быстродействующих приводах, обладающих мал�