автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование процесса раскатки труб в производстве деталей летательных аппаратов

На правах рукописи

Мя

ейн Вин Зо

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСКАТКИ ТРУБ В ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003488589

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

ТТ_

чумаДйн лл,.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Галкин В.И.

Ведущее предприятие:

кандидат технических наук, доцент Филимонов A.C.

Национальный институт авиационных технологий (НИАТ)

Зашита состоится « »

2009 г. в « | /у » часов fifl мин, на

заседании диссертационного совета / -Д 212.110.02 ГОУ ВПО «МАТИ» -Российского государственного технологического университета имени 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 имени К.Э. Циолковского.

Отзывы в двух экземплярах, заве, шые 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 Д 212.110.02.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.110

Автореферат разослан « fß » HC&l ^_2009 г.

доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Летательные аппараты (самолеты, вертолеты, ракеты и др.) состоит из нескольких тысяч различных металлических деталей, большую часть которых (до 70%) получают методами листовой штамповки.

Широкое применение листовой штамповки в авиа- и ракетостроении объясняется целым рядом ее преимуществ:

- малая трудоемкость изготовления;

- большая производительность и малая себестоимость деталей;

- сравнительно небольшие потери материала заготовки, высокий коэффициент использования материала;

- благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов;

- высокое качество получаемых деталей (высокие точностные параметры, малая шероховатость поверхностей и др.).

В зависимости от функционального назначения детали, применяемого материала, габаритов и программы выпуска используются различные методы ее изготовления. Это процессы раздачи и обжима труб, вытяжка, формовка и гибка листового материала и др. Для осесимметричных деталей типа обтекатель, переходник, сильфон, компенсатор и других деталей гидрогазовых систем летательных аппаратов в последнее время все чаще применяются методы локального деформирования, в том числе методы ротационного формообразования, которые в сравнении с традиционными методами листовой штамповки обладают рядом достоинств: снижением деформирующего усилия, простотой технологической оснастки, большими возможностями формоизменения и другими преимуществами.

Однако не все процессы ротационного деформирования в настоящее время являются достаточно изученными. Это в полной мере относится к перспективному процессу изготовления осесимметричных деталей летательных аппаратов раскаткой труб. Поэтому исследования в этом направлении (в части расчета напряженно-деформированного состояния и определения оптимальных режимов деформирования) являются актуальными.

Представленная работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» «МАТИ» - Российского государственного

. (

технологического университета им. К.Э. Циолковского, где проведены все теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретическом плане работа связана с совершенствованием методов расчета напряженно-деформированного состояния в операциях штамповки при изготовлении деталей летательных аппаратов, основы которых были заложены российскими и зарубежными учеными, б том числе т.В. Сторожевым, С.А. Поповым, М.Н. Горбуновым, А.Д. Томленовым, В.И. Ершовым, Е.А. Унксовым, А.И. Целиковым, B.C. Смирновым, А.Г. Овчинниковым, В.Г. Кононенко, Н.И. Могильным, Л.Г. Юдиным, С.П. Яковлевым, С. Колпакчиогли, Ш. Кобаяси, Э. Томсеном и другими.

Целью работы является сокращение сроков технологической подготовки производства и трудоемкости изготовления деталей летательных аппаратов типа «переходник», получаемых раскаткой труб.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- проведены технологические и теоретические исследования процессов раздачи труб и ротационного деформирования и определены методы решения поставленной задачи;

- разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния и режимов обработки при раскатке труб с учетом многопереходности обработки;

- разработана математическая модель процесса раскатки труб, основанная на инженерном методе расчета и энергетическом методе баланса работ;

проведены экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность разработанных теоретических моделей;

- предложены эффективные пути совершенствования процесса раскатки труб при изготовлении деталей типа «переходник».

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

- теоретический анализ процессов деформирования с использованием основных положений теории пластичности;

- методы интегрирования дифференциальных уравнений и базовые принципы программирования и передачи информации;

- экспериментальные методы исследования и обработки результатов на образцах и натурных заготовках из трубных заготовок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- усовершенствован метод расчета напряженно-деформированного состояния при раскатке трубных полуфабрикатов с учетом внеконтактных деформаций, сил контактного трения и изменения механических характеристик материала заготовки в результате многопереходной обработки;

- разработана новая математическая модель расчета технологических параметров при раскатке труб;

- предложены эффективные пути совершенствования процесса раскатки при изготовлении деталей летательных аппаратов типа «переходник».

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработаны компьютерные программы для автоматизированного расчета режимов процесса изготовления детали раскаткой труб с учетом упрочнения материала заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве;

- получены аналитические выражения для расчета режимов обработки с учетом влияния основных факторов процесса раскатки;

- разработан новый способ раскатки труб с помощью давильного кольца.

В конечном итоге практическое значение работы состоит в том, что проведенные исследования позволяют сократить сроки технологической подготовки производства и трудоемкость изготовления деталей летательных аппаратов типа «переходник», получаемых раскаткой труб.

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, корректностью построения математических моделей и удовлетворительным совпадением теоретических расчетов с результатами экспериментальных работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной молодежной конференции «XXXIII Гагаринские чтения» в 20072009 гг., на Всероссийской научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», проводившихся МАТИ в 2006 и 2007 гг., на конференциях «Актуальные проблемы российской космонавтики», проходивших в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2007 -2009 гг.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 9 работах, в том числе в научной статье, которая опубликована в журнале, рекомендованном ВАК, и 8 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, общих выводов, списка литературы и 3 приложений. Полный объем работы составляет 116 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и определено научное и практическое значение решаемой задачи.

В первой главе дан конструкторско-технологический анализ объекта производства, проанализированы существующие способы изготовления деталей типа переходник методами раздачи труб и методами локального деформирования.

Летательный аппарат содержит в своей конструкции большое число деталей, получаемых из трубчатых заготовок. Это в основном детали гидрогазовых систем самолетов и различных типов ракет (рис. 1).

»> в)

«1 *>

Рис. 1. Типовые детали гидрогазовых систем, изготовляемые штамповкой из трубчатых полуфабрикатов: а)-г) - переходники; д) - сильфоны; е) - законцовки трубопроводов

Анализ способов изготовления деталей, приведенных на рис. 1, показал, что детали типа «переходник» могут быть получены с использованием различных процессов листовой штамповки (раздачей и обжимом труб, формовкой, вытяжкой и отбортовкой листового материала), а также методами локального деформирования (ротационным обжимом, раскаткой и т.п.). В настоящей работе рассматриваются процессы, связанные с увеличением диаметра исходной заготовки, поэтому основное внимание уделено процессам раздачи и раскатки трубных заготовок.

6

Анализ известных способов раздачи труб (рис. 2) показал, что данный процесс имеет существенный недостаток, заключающийся низких предельных возможностях формоизменения. Это часто приводит к усложнению процесса формоизменения: к штамповке с нагревом, к промежуточным отжигам и т.д., что увеличивает трудоемкость изготовления деталей и сроки технологической

ПОДГОТОВКИ ПрОИЗьОдСша.

Ж

В)

Рис. 2. Схемы раздачи труб: а)-в) - схемы раздачи концевых участков труб в нестационарном очаге деформации; г)-д) - схемы раздачи участков труб в стационарном очаге деформации

Из известных способов локального деформирования (ротационная вытяжка, токарно-давильная обработка, ротационный обжим и т.д.) деталь типа «переходник» может быть получена раскаткой труб (рис. 3), однако приведенный способ раскатки практически не исследован.

Рис. 3. Схема перспективного

процесса раскатки труб с подпором кромки заготовки: 1 - ведущая оправка; 2 - ведомая давильная оправка; 3 -деформируемая заготовка

В теоретическом плане основы расчетов напряженно-деформированного состояния и технологических параметров в процессах листовой штамповки и в

процессах локального деформирования заложены в работах российских и зарубежных ученых, в том числе М.В. Сторожевым, Е.А. Поповым, М.Н. Горбуновым, А.Д. Томленовым, В.И. Ершовым, Е.А. Унксовым, А.И. Целиковым, B.C. Смирновым, А.Г. Овчинниковым, В.Г. Кононенко, Н.И. Могильным, Л.Г. Юдиным, С.П. Яковлевым, Колпакчиогли, Кобаяси, Томсеном и другими.

г Наиболее близки»: к исслсдусмому процессу раскатки труб является хорошо изученный процесс продольной прокатки, однако процесс раскатки отличается от него замкнутым контуром заготовки и многопереходностью обработки со значительным упрочнением материала.

Таким образом, по результатам обзора была конкретизирована цель работы, и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе даны теоретические решения задачи. Определены контактные давления на инструмент; рассчитаны касательные напряжения в зоне контакта заготовки и инструмента; определены крутящие моменты и работа сил трения. Проведен приближенный расчет напряженно-деформированного состояния заготовки в очаге деформации и дана методика расчета силовых параметров при раскатке.

Расчет контактных давлений на инструмент (давильные оправки) был осуществлен с учетом внеконтактных деформаций на входе и выходе заготовки в очаг деформации. В качестве основных предположений и допущений принято следующее:

- деформированное состояние плоское (ег=0);

- кривизна заготовки много меньше кривизны деформируемых оправок;

- очаг деформации симметричный относительно срединной поверхности заготовки;

- напряжения стр за границами очага деформации отличны от нуля;

- контактное трение (рис. 4) подчиняется закону Амонтона - Кулона в зонах отставания и опережения и равно максимальной величине в зонах прилипания.

Получены выражения для расчета контактного давления ае по зонам.

В зоне 1:

О)

В зоне 4:

а

+ 1

1-

+ ст

Р V

В зоне 2:

°5 >

ой =—-т 0 2а

/

где ст^ = ст5

В зоне 3:

1-

а

1-

у

СТ;

а„ = —Чп " 2а

( л

Рот '

ГДе °Роп = - + 1

1-

V

\

Роп

г

(2)

(3)

(4)

В выражениях (1)-(4) о - величина подпора со стороны входа заготовки в очаг деформации; 0*' - величина подпора со стороны выхода заготовки из очага деформации.

Определены границы указанных зон с учетом внеконтактных деформаций:

Соотношение радиусов зоны 1 имеет вид:

\.Ро

1 - 2а 2Ц

а _ а'

И /

Соотношение радиусов зоны 4 имеет вид: 1 + 2а

оп ]_

г

2ц

И

(6)

Радиус нейтрального сечения р0 в зонах 2 и 3 рассчитывается выражением

= IР«Рт

° ^ехр(А)'

где А = 2а

а

Я

- 2а —I —

5 ЧИот /

(7)

Если подпор отсутствует а* = о" =0, то из выражения (7) следует, что

нейтральный радиус равен р0 = у[ртрт , что совпадает с известными решениями.

Расчеты контактных давлений в зависимости от величины напряжений подпора приведены на рис. 5 и рис. 6.

1,5

1,0

0,5

1,0

1,1

1,2

Р!/р

Нис. 5. Распределение контактных давлений в зависимости от режимов обработки

(Ыц =0,225; 8/2 = 1,0 мм, ДЭ/г = 0,2 мм, Яр = 12 мм): 1 - а* = а" = 0; 2 - сг* / ст5 = а" / сг5 = -0,1; 3-а*/а5=а"/а5 = -0,2

Рис. б. Распределение контактных давлений в зависимости от режимов обработки (а/ц =0,225; 8/2 = 1,0 мм, Д8/2 = 0,2 мм, Яр = 12 мм): 1 - с* =0; 2- ст"/ст5 = -0,1; 3 - а"/о3 =-0,2

Каким образом, контактное давление в геометрическом очаге деформации величина непостоянная и больше, чем напряжение текучести материала (в среднем на 30-40%), что необходимо учитывать в расчетах технологических параметров.

Определено влияние внеконтактных деформаций на величину подпора ст*. По аналогии вдавливания плоского пуансона в жесткое полупространство (решение Р. Хилла), изображенного на рис. 7, для задачи раскатки (рис. 8) имеем: на свободной поверхности в точке «а» (рис. 10): сг = 0 ; <тх = ~а3.

Рис. 8. Возможное поле линий скольжения при раскатке труб

Из этого следует, что величина сжимающих напряжений подпора а* (в радиальном направлении) всегда равна напряжению текучести, т.е. о' - ~ст5.

Таким образом, величина сжимающих радиальных напряжений подпора о'на входе в зону контакта примерно равна напряжению текучести материала с,3 при плоском деформированном состоянии. Это увеличивает величину контактных давлений под давильными оправками примерно в 2 раза. Для приближенных расчетов можно принять, что |ав|»а,, где ав - предел прочности материала заготовки.

Дан расчет геометрической длины очага деформации и величин внедрения оправок в заготовку большого диаметра для различных видов оправок.

Если диаметры оправок отличаются (рис. 9), тогда

(8)

Рис. 9. К определению длины очага деформации «а» и «Ь»

Соотношение между радиусами и глубиной внедрения имеет вид

V

Соотношение между углами а и /3:

и

и _ р '

(Ю)

Зная радиусы давильных оправок и Я,., можно установить отношение глубины внедрения оправок ричв заготовку, а также величины углов а и (3 при заданном общем утонении стенки заготовки ДЭ = р + q и, следовательно, провести расчеты контактных давлений по выражениям (1) - (4).

Для труб малого диаметра, соизмеримого с диаметрами оправок (рис. 10), получено следующее выражение

Р'

+ _1 Кп К-ч

я,

(11)

Рис. 10. К определению глубины внедрения давильных оправок в кольцевую заготовку

Если взамен одной давильной оправки используется давильное кольцо (рис. Ш), получены следующее соотношение по глубине внедрения со стороны давильного кольца:

Рис. 11. К определению глубины внедрения давильного кольца

Дан расчет касательных напряжений на поверхностях контакта. Пример распределения касательных напряжений от действия сил контактного трения приведен на рис. 12.

+0,5 О

-0,5

1.0 1.1 1,2 ГОр

Рис. 12. Распределение касательных напряжений от действия сил контактного трения (а/11 =0,225; Б/2 = 1,0 мм, ДБ/2 = 0,2 мм, Яр = 12 мм): 1 - <т* =<т" =0; 2 -ст" /а5 =-0,5,а" /а5 = 0

Из рис. 14 видно, что напряжения подпора увеличивают зону действия максимальных касательных напряжений за счес уменьшения размеров других зон.

Определены крутящие моменты для двух ведущих оправок (рис. 13) и для одной (рис. 16). В первом случае равенство моментов от указанных сил имеет вид

2М = АДСф У ф +2( Т; + Т4) .

(13)

Зона отставания 1 \ т т

Плоскость симметрии

Т< У Зона опережения 4

Рис. 13. К определению крутящих моментов двух ведущих оправок

Во втором случае (рис. 14), получим

М = Адеф/ ф+ (Т, + Т4 + И, + р<) Яр.

(14)

Рис. 14. К определению крутящих моментов при одной ведущей оправке

Работа сил контактного трения в зонах контакта инструмента и заготовки в общем случае рассчитывается выражением

к

где А^, - работа сил контактного трения за один оборот заготовки; тк1, тк4 -контактные касательные напряжения от действия сил контактного трения; Ъ -единичная ширина очага деформации {Ъ=\)\ ик - перемещение на контактной поверхности; р - текущий радиус.

Приближенно работу сил контактного трения можно определить

выражением

где £,= КмгЖр - число оборотов ведущей оправки при одном обороте заготовки.

Анализ уравнения (16) показывает, что работа сил трения Атр значительно больше, чем работа деформации Ааеф при раскатке тонкостенных трубных заготовок.

Распределение напряжений в очаге деформации (по толщине стенки) в зависимости от напряжений подпора приведены на рис. 15 и рис. 16.

Для приближенного расчета силовых параметров при раскатке труб разработана методика расчета, основанная на равенстве работ внешних Аонеш и внутренних Алеф сил. С учетом работы сил контактного трения Агр это равенство работ имеет вид: Ав„еш = Адеф + А^.

Процесс деформирования концевого участка трубы раскаткой заключается в следующем (рис. 17). Исходную трубчатую заготовку 1 помещают в зазор между давильными оправками 2 и 3. Под действием усилия Р стенка заготовки сжимается и утоняется, а вращающиеся оправки 2 и 3 обеспечивает бесцентровое вращение заготовки 1. По мере утонения стенки заготовки в очаге деформации 4 диаметр заготовки увеличивается. В данном процессе используется один приводной валок.

Работа внешних сил равна:

А6НСШ=АР+АМ, (17)

где Ар- работа, связанная с утонением стенки под действием силы Р; А„ -работа, связанная с вращением заготовки моментом Мвнсш.

Подставив в уравнение (17) соответствующие силы и перемещения за один оборот детали, получим:

А„сш =РД8 + М „,1е1иср , (18)

где Д8 - величина утонения стенки заготовки за один оборот детали; <р гол поворота оправки за один оборот детали.

1,0 1,1 1,2 ГОР

Рис. 15. Распределение напряжений по зонам очага деформации зависимости от напряжений подпора

=0,225; Б/2 = 1,0 мм; ДБ/2 = 0,2 мм; Яр = 12 мм; — = — = 0)

1,0 1,1 1,2 ГОр

Рис. 16. Распределение напряжений по зонам очага деформации зависимости от напряжений подпора

(а/ц =0.225; Б/2 = 1.0 мм; ДЭ/2 = 0,2 мм; Яр = 12 мм; — = -0,2 ; — = о )

ВидА

Рис. 17. Схема процесса раскатки трубы с подпором

Работа деформации (внутренних сил) равна

(19)

где <т5 - напряжение текучести; е, - интенсивность деформаций; V - объем продеформированного металла.

Для одного оборота детали уравнение (19) может быть записано через средние подынтегральные величины в следующем виде:

(20)

где - приращение интенсивности деформации за один оборот детали; 1. -длина очага деформации; &мг, 5 - текущие значения радиуса и толщины стенки в очаге деформации.

Таким образом, баланс работ внешних и внутренних сил имеет вид

(а + Ь)

2

(21)

где Р - усилие со стороны давильной оправки, определяемое выражением (2.52); Д8 - изменение толщины стенки после выхода из очага деформации, Д8= р+я; М»иеш - момент внешних сил.

Из выражения (21) определяется момент внешних сил

м«- =(а5Де,2кам,ХЗ + ^>аго5)и^|^-РД8)/ф. (22)

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований. Опытная установка для раскатки концевых участков труб показана на рис. 18.

Исследования по раскатке проводились на трубных заготовках 020x1,0 мм. 028x1,5мм, 030x1,5мм, 032x2мм, 038x2 мм, 0 42,5x3,5мм, 042x1мм, 050x2мм, 060x3,5мм из материалов АМгбМ, АМгЗМ. АМЦ, Д16Т, ОТ4-0, Сталь Ст.З, и 12Х18Н10Т. Раскатка производилась в холодном состоянии. В некоторых случаях использовались сварные трубные заготовки из материалов АМгбМ и Стали Ст.З.

Традиционный процесс раздачи осуществлялся на жестком пуансоне с использованием гидравлической испытательной машины «Олсен».

Внеконтактную деформацию определяли с помощью тензометрических датчиков с базой 5 мм. которые приклеивали на наружную и внутреннюю поверхности заготовки согласно схемы, изображенной на рис. 21. Величина относительной деформации заготовки в зоне датчика замерялась автоматическим измерителем деформации АИД-4 (рис. 22).

Рис. 18. Общий вид установки для раскатки труб

Да'

Рис. 21. Схема наклейки датчиков и перемещения заготовки при замере внеконтактной деформации

р

Результаты экспериментов по внекоятактной деформации со стороны входа заготовки в очаг деформации приведены в табл. 1.

Таблица 1

Относительная величина внекоетактной деформации при раскатке_

№ п/п Марка материала Размеры заготовки, мм Внеконтактная деформация. % Примечание

1 Д16Т 0 30x1,5 мм -0.1 внешняя поверхность

2 Д5 6Т 0 30x1,5 мм -0,06 внутренняя поверхность

3 АМгбМ 0 50x2,0 мм -0,18 внешняя поверхность

4 АМгбМ 0 50x2,0 мм -0,12 внутренняя поверхность

5 АМгбМ полоса 20x2,0 мм -0,10 со стороны ведущей оправки

Момент внешних сил (крутящий момент) определялся с использованием специального приспособления, установленного на установке для раскатки, схема

которого приведена на рис. 21, а внешний вид представлен на рис. 22.

Рис. 21. Схема приспособления для Рис. 22. Общий вид приспособления для

определения крутящего момента определения крутящего момента

Сопоставление результатов опытных и теоретических работ приведено в табл. 2.

Таблица 2

№ Заготовка, Погонное Длина Длина Толщина Момент. Момент.

п/п материал. усилие, очага. очага, в зоне М, кг • м М, кг' м

размеры Р/С а=Ь, мм а=Ь. мм контакта, (экспер) (расчет)

кг/мм (экспер) (расчет) мм

1 полоса, 25,0 1,0 0,6 í,93 V,¿9 1,15

2 АМгбМ 37,5 1,5 0,9 1.90 1,17 2,0

3 20x1,95 мм 50,0 2,0 1,6 1,80 2,04 3,4

4 Труба 50,0 1,0 0,9 1,45 1,09 1,9

5 Д16Т 100,0 1.8 1,3 1,40 1,53 2,7

0 30x10x1,5

6 Полоса 50 1,0 0,6 0,93 1,50 2,4

Д16Т 75 1,5 0,9 0,90 2,18 3,7

7 20x0,95 мм

8 Труба 41,7 1.2 0,94 2,05 1,63 V

9 АМгбМ 62,5 1,5 1,33 1,95 2,21 3,1

0 50x24x2,1

Исследован процесс раскатки с помошью давильного кольца, который позволяет изготавливать детали с фиксированным внешним диаметром (рис. 23).

Рис. 23. Схема раскатки трубы с помощью давильного кольца: 1 - заготовка; 2 - ведущая оправка; 3 - давильное кольцо; 4 - очаг деформации

Сравнение экспериментальных данных с расчетом приведено в табл. 3.

Таблица 3

№ Заготовка, Погонное Длина Длина Толщина Момент, Момент,

п/п материал, усилие. очага, очага, в зоне М, кг • м М, кг ■ м

размеры Р/С а=Ь, мм а=Ь. мм контакта, (экспер) (расчет)

кг/мм (экспер) (расчет) мм

i Труба 41,7 1.2 1.17 2,07 0,4 1,34

2 АМгбМ 62,5 1.5 1.5 2,05 1,1 1,73

0 50x24x2,1

Образцы получаемых деталей приведены на рис. 24 - рис, 27.

Рис. 24 . Образцы получаемых деталей: ! - раздача на пуансоне; 2 - раскатка

Рис. 25 . Детали, получаемые раскаткой труб: а) - с цилиндрическим раструбом: б)-в) - с конусообразным раструбом

Рис. 26. Детали, получаемые раскаткой с Рис. 27. Детали, получаемые совмещением фиксированным внешним диаметром процессов раздачи и раскатки труб

щщ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований процесса раскатки труб при изготовлении деталей летательных аппаратов тина переходник установлено следующее.

1. Детали типа переходник получают в основном с использованием операций раздачи труб на жестком пуансоне. Эти процессы хорошо изучены и нашли широкое применение в производстве деталей летательных аппаратов. Однако возможности формоизменения заготовки в процессе раздачи существенно ограничены. Это приводит к необходимости нагрева заготовок, что удорожает и усложняет производство деталей.

2. Использование процесса раскатки труб при изготовлении переходников дает возможность значительно повысить степень формоизменения заготовки в холодном состоянии, однако сам процесс раскатки недостаточно исследован в части оптимальных режимов обработки.

3. Проведенные теоретические исследования показали, что процесс раскатки труб близок к процессу продольной прокатки, однако имеются отличия в наличии замкнутого контура заготовки и многоопереходности обработки. В результате был усовершенствован метод расчета напряженно-деформированного состояния при раскатке трубных полуфабрикатов с учетом внеконтактных деформаций, сил трения и изменения механических характеристик материала заготовки в результате многопереходной обработки.

4. Экспериментально определены величины внеконтактных деформаций и силы контактного трения. Определены оптимальные режимы обработки, заключающиеся в создании большей доли сжимающих усилий.

5. Разработаны компьютерные программы для автоматизированного расчета режимов процесса изготовления переходников раскаткой труб с учетом упрочнения материала заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве. Получены приближенные аналитические выражения для расчета режимов обработки с учетом влияния основных факторов процесса раскатки, которые подтверждаются экспериментально.

6. Разработан новый способ раскатки, обеспечивающий повышение геометрической точности получаемых деталей. В целом раскатка повышает производительность формоизменения по сравнению с раздачей в 1,5-2,0 раза.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Хейн Вии Зо. Экспериментальные исследования процесса раскатки труб. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, № 12, 2007, с. 11-14.

2. Чумадин A.C., Хейн Вин Зо, Бондаренко М.В. Раскатка концевых участков труб. / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии». Москва, 21-23 ноября 2006 г. В 3 томах. Т2 -М.: ИЦ МАШ, 2006г, с.46-47.

3. Хейн Вин Зо. Трубопроводные системы в производстве летательных аппаратов. / XXXIII «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. -М.: МАТИ, 2007. с.34.

4. Хейн Вин Зо. Поддерживающее устройство для ротационно-давильного станка. /XXXIII «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. -М.: МАТИ, 2007, с. 35-36.

5. Хейн Вин Зо. Исследования процесса раскатки труб. / Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXII Академических чтений по космонавтике. Москва, 2008 г, с. 503.

6. Хейн Вин Зо. Особенности процесса раскатки труб. /XXXIV «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. -М.: МАТИ, 2008, с.34.

7. Чумадин A.C., Хейн Вин Зо. Расчеты напряженного состояния при раскатке труб / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии». Москва, 21-23 ноября 2008 г. В 3 томах. Т2 -М.: ИЦ МАТИ, 2008г, с.64.

8. Хейн Вин Зо. Особенности процесса раскатки труб. / Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXIII Академических чтений по космонавтике. Москва, 2009, с. 533.

9. Хейн Вин Зо. Сопоставление результатов опытных и теоретических работ при раскатке труб. / XXXIV «Гагаринские чтения». Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции. -М.-. МАТИ, 2009, -с. 44.

Подписано в печать /? // 2009. Объем 1,0 п.л., тираж 100 экз. За*- ///¿^ Типография ИЦМАТИ, 109240, г. Москва, Берниковская наб., 14

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СПОСОБОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ.

1.1. Особенности технологии производства деталей летательных аппаратов.

1.2. Способы изготовления деталей типа «переходник».

1.2.1. Способы раздачи труб.

1.2.2. Способы локального деформирования.

1.3. Методы расчета напряженно-деформированного со стояния.

1.3.1. Методы расчета процессов раздачи.

1.3.2. Методы расчета процессов локального деформирования.

1.4. Выводы.

1.5. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСКАТКИ

ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК.

2.1. Исходные уравнения.

2.2. Определение контактных давлений.

2.2.1. Расчет контактных давлений в условиях симметрии очаге деформации.

2.2.2. Влияние замкнутого контура заготовки на величину подпора.

2.2.3. Влияние внеконтактных деформаций на величину подпора.

2.2.4. Учет влияния диаметров оправок на распределение контактных давлений

2.2.5. Расчет касательных напряжений от сил контактного трения.

2.2.6. Определение крутящих моментов.

2.2.7. Определение работы сил контактного трения.

2.3. Напряженно-деформированное состояние материала в очаге деформации.

2.4. Методика приближенного расчета силовых параметров 73 при раскатке труб.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

РАСКАТКИ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК.

3.1. Условия проведения экспериментов.

3.2. Механические свойства материалов.

3.3. Исследование традиционного процесса раздачи труб.

3.4. Исследования процесса раскатки.

3.4.1. Предварительные эксперименты по раскатке.

3.4.2. Особенности раскатки.

3.4.3. Величина геометрического контакта при раскатке.

3.4.4. Внеконтактная деформация при раскатке.

3.4.5. Определение момента внешних сил при раскатке.

3.4.6. Сопоставление результатов опытных и теоретических работ.

3.5. Раскатка с помощью давильного кольца.

3.6. Совмещение процессов раздачи и раскатки труб.

3.7. Выводы.

Летательные аппараты (самолеты, вертолеты, ракеты и др.) состоит из нескольких тысяч различных металлических деталей, большую часть которых (до 70%) получают методами листовой штамповки [1].

Широкое применение листовой штамповки в авиа- и ракетостроении объясняется целым рядом ее преимуществ:

- малая трудоемкость изготовления;

- большая производительность и малая себестоимость деталей;

- сравнительно небольшие потери материала заготовки, высокий коэффициент использования материала;

- благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов;

- высокое качество получаемых деталей (высокие точностные параметры, малая шероховатость поверхностей и др.).

В зависимости от функционального назначения детали, применяемого материала, габаритов и программы выпуска используются различные методы ее изготовления. Это процессы раздачи и обжима труб, вытяжка, формовка и гибка листового материала и др. Для осесимметричных деталей типа обтекатель, переходник, сильфон, компенсатор и других деталей гидрогазовых систем летательных аппаратов в последнее время все чаще применяются методы локального деформирования, в том числе методы ротационного формообразования, которые в сравнении с традиционными методами листовой штамповки обладают рядом достоинств: снижением деформирующего усилия, простотой технологической оснастки, большими возможностями формоизменения и другими преимуществами [2-4].

Однако не все процессы ротационного деформирования в настоящее время являются достаточно изученными. Это в полной мере относится к перспективному процессу изготовления осесимметричных деталей летательных аппаратов раскаткой труб [5-6]. Поэтому исследования в этом направлении (в части расчета технологических параметров, оптимальных режимов деформирования) являются актуальными.

Представленная работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, где проведены все теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретическом плане работа связана с совершенствованием методов расчета напряженно-деформированного состояния в операциях пластического деформирования при изготовлении деталей летательных аппаратов, основы которых были заложены российскими и зарубежными учеными, в том числе М.В. Сторожевым, Е.А. Поповым, М.Н. Горбуновым, А.Д. Томленовым, В.И. Ершовым, Е.А. Унксовым, А.И. Целиковым, B.C. Смирновым, А.Г. Овчинниковым, В.Г. Кононенко, Н.И. Могильным, Л.Г. Юдиным, С.П. Яковлевым, С. Колпакчиогли, Ш. Кобаяси, Э. Томсеном и другими.

В практическом плане работа связана с разработкой рациональных методов обработки в процессах изготовления деталей летательных аппаратов методом раскатки трубных заготовок.

Целью диссертационной работы является сокращение сроков технологической подготовки производства и трудоемкости изготовления деталей летательных аппаратов типа «переходник», получаемых раскаткой труб.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- проведены технологические и теоретические исследования процессов раздачи труб и ротационного деформирования и определены методы решения поставленной задачи;

- разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния и режимов обработки при раскатке труб с учетом многопереходности обработки;

- разработана математическая модель процесса раскатки труб, основанная на инженерном методе расчета и энергетическом методе баланса работ;

- проведены экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность разработанных теоретических моделей;

- предложены эффективные пути совершенствования процесса раскатки труб при изготовлении деталей типа «переходник».

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

- теоретический анализ процессов деформирования с использованием основных положений теории пластичности;

- методы интегрирования дифференциальных уравнений и базовые принципы программирования и передачи информации;

- экспериментальные методы исследования и обработки результатов на образцах и натурных заготовках из трубных заготовок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- усовершенствован метод расчета напряженно-деформированного состояния при раскатке трубных полуфабрикатов с учетом внеконтакных деформаций, сил контактного трения и изменения механических характеристик материала заготовки в результате многопереходной обработки;

- разработана новая математическая модель расчета технологических параметров при раскатке труб;

- предложены эффективные пути совершенствования процесса раскатки при изготовлении деталей летательных аппаратов типа «переходник».

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработаны компьютерные программы для автоматизированного расчета режимов процесса изготовления детали раскаткой труб с учетом упрочнения материала заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве;

- получены аналитические выражения для расчета режимов обработки с учетом влияния основных факторов процесса раскатки;

- разработан новый способ раскатки труб с помощью давильного кольца.

В конечном итоге практическое значение работы состоит в том, что проведенные исследования позволяют сократить сроки технологической подготовки производства и трудоемкость изготовления деталей летательных аппаратов типа «переходник», получаемых раскаткой труб.

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, корректностью построения математических моделей и удовлетворительным совпадением теоретических расчетов с результатами экспериментальных работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях в следующих организациях:

Год Организация Наименование конференции, семинара

2006 МАТИ им. К.Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «XXXII Гагаринские чтения». Секция № 5.

2007 МГТУ им. Н.Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXI академические чтения. Секция № 19.

2007 МАТИ им. К.Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «XXXIII Гагаринские чтения». Секция № 5.

2008 МГТУ им. Н.Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXII академические чтения. Секция № 19.

2008 МАТИ им. К.Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «ХХХГУ Гагаринские чтения». Секция № 5.

2008 МАТИ им. К.Э. Циолковского Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии». Секция № 3.1.

2009 МГТУ им. Н.Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXIII академические чтения. Секция № 19.

2009 МАТИ им. К.Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «ХХХУ Гагаринские чтения». Секция № 5.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 9 работах, в том числе в научной статье, которая опубликована в журнале, рекомендованном ВАК, и 8 тезисах докладов.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу.

Все основные положения труда, включая теоретические, экспериментальные исследования и программно-расчетные работы выполнены соискателем лично.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех основных глав, общих выводов, списка литературы и материалов приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований процесса раскатки труб при изготовлении деталей летательных аппаратов типа переходник установлено следующее.

1. Детали типа переходник получают в основном с использованием операций раздачи труб на жестком пуансоне. Эти процессы хорошо изучены и нашли широкое применение в производстве деталей летательных аппаратов. Однако возможности формоизменения заготовки в процессе раздачи существенно ограничены. Это приводит к необходимости нагрева заготовок, что удорожает и усложняет производство деталей.

2. Использование процесса раскатки труб при изготовлении переходников дает возможность значительно повысить степень формоизменения заготовки в холодном состоянии, однако сам процесс раскатки недостаточно исследован в части оптимальных режимов обработки.

3. Проведенные теоретические исследования показали, что процесс раскатки труб близок к процессу продольной прокатки, однако имеются отличия в наличии замкнутого контура заготовки и многопереходности обработки. В результате был усовершенствован метод расчета напряженно-деформированного состояния при раскатке трубных полуфабрикатов с учетом внеконтактных деформаций, сил трения и изменения механических характеристик материала заготовки в результате многопереходной обработки.

4. Экспериментально определены величины внеконтактных деформаций и силы контактного трения. Определены оптимальные режимы обработки, заключающиеся в создании большей доли сжимающих усилий.

5. Разработаны компьютерные программы для автоматизированного расчета режимов процесса изготовления переходников раскаткой труб с учетом упрочнения материала заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве. Получены приближенные аналитические выражения для расчета режимов обработки с учетом влияния основных факторов процесса раскатки, которые подтверждаются экспериментально.

6. Разработан новый способ раскатки, обеспечивающий повышение геометрической точности получаемых деталей. В целом раскатка повышает производительность формоизменения по сравнению с раздачей в 1,5-2,0 раза.

1. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов. М.: Машиностроение, 1981. — 224 с.

2. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 480 с.

3. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. —Л.: Машиностроение, 1971.-782 с.

4. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971. — 239 с.

5. Чумадин А.С., Бурштейн Н.М., Архипов В.Н. Ротационно-давильный станок НИКПОС-1. Патент РФ №2093290, 1997.

6. Чумадин А.С., Бурштейн Н.М., Архипов В.Н. Способ изменения диаметра концевого участка трубы. Патент РФ №2104112, 1998.

7. Абибов А.Л., Бирюков Н.М., Бойцов В.В. и др. Технология самолетостроения. -М.: Машиностроение, 1970. 499 с.

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

9. Горбунов М.Н. Штамповки деталей из трубчатых заготовок. М.: Машгиз, 1960. -190 с.

10. Интенсификация формообразования деталей из трубчатых заготовок. Под ред. Марьина Б.Н., Иванова Ю.Л., Сапожникова В.М. М., "Машиностроение", 1996, 176 с.

11. П.Ершов В.И., Глазков В.И., Каширин М.Ф. Совершенствование формоизменяющих операций листовой штамповки. — М.: Машиностроение, 1990,-312 с.

12. Чумадин А.С., Глазков В.И. Предельные возможности получения равнотолщинных деталей раздачей трубчатых заготовок с подпором. Известия ВУЗов. Машиностроение. №3, 1984.

13. Чумадин А.С. Один из способов интенсификации процесса раздачи труб. Кузнечно-штамповочное производство, № 8,1990.

14. Ершов В.И., Чумадин А.С., Глазков В.И. и др. Авт. Свид. СССР, № 1282945, 1985.

15. Чумаченко Е.Н., Смирнов О.М., Цепин М.А. Сверхпластичность: материалы, теория, технологии. М: КомКнига, 2005. - 320 с.

16. Пашкевич А.Г., Орехов А.В., Горленко A.M. Скоростные условия нагружения при обжиме и раздаче труб в режиме сверхпластичности. "Известия ВУЗов. Авиационная техника", № 4 , 1986, с. 123-126.

17. Титов В.М. Раздача полых цилиндрических заготовок в условиях сверхпластичности. Кузнечно-штамповочное производство. № 6, 2000.

18. Бриджмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. Пер. с англ. М., ИЛ, 1955, 444 с.

19. Веллер М.В., Коняев Ю.С. Увеличение пластичности металлов и сплавов в условиях высоких давлений. "Кузнечно-штамповочное производство", № 4, 1980, с. 4-5.

20. Чумадин А.С., Ершов В.И., Зиая Д. Влияние гидростатического давления на предельные возможности деформирования при листовой штамповке. Кузнечно-штамповочное производство, № 9,1990.

21. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. -М.: Машиностроение, 1983. -192 с.

22. Кононенко В.Г. О пластической деформации и наклепе стенок выдавливаемых оболочек. Известия вузов. Машиностроение, №12, 1963, стр. 21-25.

23. Основы технологии производства летательных аппаратов. Учебное пособие для вузов / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, В.А. Барвинок и др. М.: Наука и технологии, 2005. - 912 с.

24. Сшдерсысий В.П. Економ1чна ефектившсть технолопчного забезпечеея виготовлення корпусних деталей деформуванням. Наукаве видання. -Харюв: Вид. ХДЕУ, 2003. -196 с.25. ГОСТ 18970-84.

25. Киселев А.И., Горюшина М.В. Ротационно-давильная обработка в листовой штамповке // Металл, оборудование, инструмент №3, 2004.

26. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. -М.: Машиностроение, 1977. -223 с.

27. Сторожев М.В., Попов А.Е. Теория обработки металлов давлением. ~М.: Машиностроение, 1977. -423 с.

28. Теоретические основы авиа- и ракетостроения. Учебное пособие для вузов / Чумадин А.С., Ершов В.И., Барвинок В.А. -М.: Изд-во «Дрофа», 2005. -784 с.

29. Основы авиа- и ракетостроения. Учебное пособие для вузов / Чумадин А.С., Ершов В .И., Макаров К.А. -М.: Изд-во Инфра-М, 2008. -992 с.

30. Шофман J1.A. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М., «Машиностроение», 1964, 375 с.

31. Соловцов С.С. Исследование формовки удлиненных фасонных деталей с замкнутыми поперечными сечениями. В сб. трудов Московского станкостроительного инструмента, 1958, №4, с. 183-221.

32. Казакевич И.И. Расчеты процессов обжима и раздачи труб. «Вестник машиностроения», 1959, № 6, с. 48-51.

33. Бубнова Л.В., Малинин Н.Н. Напряжения и деформации при формоизменении тонкостенных труб. «Известия вузов. Машиностроение», 1965, № 10, с. 199-203.

34. Глазков В.И. Исследование процесса раздачи тонкостенных трубчатых заготовок с осевым подпором. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М., МАТИ, 1968, 24 с.

35. Ершов В.И. Раздача трубчатых заготовок при переменном сопротивлении деформированию. «Кузнечно-штамповочное производство», 1965, № 2, с. 14-19.

36. Попов О.В. Изготовление цельноштампованных тонкостенных деталей переменного сечения. М., Машиностроение, 1974, 120 с.

37. Баркая В.Ф., Рокотян СБ., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового материала. М.: Металлургия. - 1976. - 294 с.

38. Томсен Э., Янг Ч., Кобояши Ш. Механика пастической деформации при обработке металлов. М., "Машиностроение", 1969, -362 с.

39. Kalpakciogly S. On the mechanics of sheet spinning. Trans. ASME. "Journal of engineering for indastry". Series B, May, 1961, p. 125-130.

40. Кобаяши Ш., Холл И., Томсен Э. Теория силовой выдавки для конуса. "Конструирование и технология машиностроения". Труды американского общества инженеров-механиков, т. 83, серия В, № 3, 1961.

41. Ястребов В.Ф., Бородин Н.М. Определение силовых параметров процесса ротационного выдавливания /Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков: ХГУ. 1972. Вып.8.

42. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. -М.: Металлургия. 1973. -496 с.

43. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. ~М.: Металлургия, 1986.-688 с.

44. Грудев А.П. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1968. - 240 с.

45. Чумадин А.С., Бутырин С.Г., Степанов А.Н. Моделирование процесса раскатки концевого участка трубной заготовки. Кузнечно-штамповочное производство. №7, 1997, стр. 12-14.

46. Тетерин П.К., Лукьянов В.П. Определение деформирующих усилий при раскатке кольцевых заготовок на оправке. Кузнечно-штамповочное производство. №6, 1966, стр. 9-14.

47. Чумадин А.С. Методы построения и аппроксимации кривых упрочнения металлов и сплавов. Учебное пособие. -М.: МАТИ, 2001. 43 с.

48. Полухин П.И., Гунн Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. -М.: Металлургия, 1983. 352 с.

49. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1996. - 420 с.

50. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956. - 407 с.

51. Целиков А.И., Гришков А.И. Теория прокатки. -М.: Металлургия, 1970. 358 с.

52. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980. - 320 с.

53. Феодосьев В.И Сопротивление материалов. М.: Изд-во «Наука», 1972, 544 стр.

54. Хейн Вин Зо Экспериментальные исследования процесса раскатки труб // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. № 12, 2007, с. 11-14.