автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование процессов формовки листовых и трубных заготовок в производстве крутоизогнутых патрубков

На правах рукописи

УДК 621.7.043:629.735

Шемонаева Елена Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВКИ ЛИСТОВЫХ И ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК В ПРОИЗВОДСТВЕ КРУТОИЗОГНУТЫХ ПАТРУБКОВ

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

3 О 0К1 2014

«05554081

005554081

Работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Чумадин Анатолий Семенович (ФГБОУ ВПО «МАТИ -Российский государственный технологический

университет имени К.Э. Циолковского», г. Москва).

Доктор технических наук, профессор

Тарасов Владимир Алексеевич (ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», г. Москва),

Доктор технических наук, профессор

Макаров Константин Анатольевич (ОАО «Вертолеты России», г. Москва).

Ведущая организация:

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

Защита состоится «11» декабря 2014 г. в 14 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.110.05 при ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, аудитория 523А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Автореферат разослан (о 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, ФГБОУ ВПО «МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», ученому секретарю диссертационного совета Д212.110.05.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.110.05, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гидравлические, газовые и топливные системы широко используются в различных изделиях машиностроения. Например, в современных летательных аппаратах общая длина трубопроводов в гидросистемах управления, топливных, масляных, воздушных и других коммуникациях, достигает нескольких километров. Для того чтобы смонтировать ветку системы трубопровода со всеми ответвлениями, с изгибом на нужный угол, с возможностью огибать препятствия необходимы такие элементы системы, как крутоизогнутые патрубки.

Как правило, крутоизогнутые патрубки изготавливают различными способами из трубных заготовок, а при отсутствии необходимого трубного полуфабриката используют способы изготовления из листа двух половин крутоизогнутых патрубков (полупатрубков) с их последующей сваркой.

В настоящее время острой проблемой в производстве патрубков остается повышенная разнотолщинность получаемых деталей, что ведет к избыточной массе изделий. Кроме того, относительно низкие предельные возможности формоизменения заготовок приводят к многопереходности обработки. В конечном итоге традиционные технологии ограничивают рост показателей качества крутоизогнутых патрубков по геометрическим и массовым характеристикам.

В теоретическом плане процессы формовки исследовались многими российскими и зарубежными учеными, однако, несмотря на большое число работ, известные методы расчета носят в основном приближенный характер и связаны обычно только с расчетом силовых параметров процесса. Задачи, как правило, решены без учета оценки влияния основных технологических факторов на качество получаемых деталей: не определены факторы, которые обеспечивают управление разнотолщинностыо получаемого изделия и позволяют уменьшить количество технологических переходов, нет зависимостей, позволяющих учитывать упрочнение материала в условиях сложного нагружения, не учитываются геометрические параметры заготовки. Ряд задач по формовке крутоизогнутых патрубков из предварительно изогнутых трубных заготовок вообще не рассматривался.

Таким образом, исследования в области технологии производства крутоизогнутых патрубков являются актуальными.

Объектом исследования являются дета™ типа крутоизогнутый патрубок (полупатрубок).

Предметом исследования являются способы изготовления крутоизогнутых патрубков, методы расчета напряженно-деформированного состояния заготовки и методики расчета технологических параметров.

Целью диссертационной работы является разработка способов формоизменения и методик расчета технологических параметров в производстве крутоизогнутых патрубков, обеспечивающих снижение разнотолщинности, массы и числа технологических переходов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- проведен обзор существующих способов изготовления крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок и методов расчета технологических параметров;

- проведены теоретические исследования процессов формовки крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок;

- разработаны уточненные математические модели и методики расчета технологических параметров процессов формовки при изготовлении крутоизогнутых патрубков, обеспечивающие расчеты сложного напряженно-деформированного состояния всех элементов заготовки на любом этапе деформирования и с учетом интенсифицирующих факторов (деформационного и скоростного упрочнения материала, а также геометрических параметров заготовки);

- созданы новые компьютерные программы для моделирования процессов формовки крутоизогнутых патрубков в различных условиях деформирования и расчета рациональных технологических параметров, обеспечивающих увеличение предельных возможностей штамповки и снижение разнотолщинности получаемых изделий;

- проведены экспериментальные исследования для подтверждения адекватности разработанных теоретической и компьютерной моделей и исследования новых способов деформирования при формовке крутоизогнутых патрубков;

- сформулированы технологические рекомендации по изготовлению крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок.

Методы проведения исследований основаны на использовании основных уравнений

теории пластичности, аналитических и численных методах интегрирования, а также базовых

методах обработки информации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены новые закономерности управления разнотолщинностью крутоизогнутых патрубков за счет использования в процессах формовки листовых и трубных заготовок с переменной толщиной стенки;

- разработаны методики расчета, позволяющие учитывать деформационно-скоростное упрочнение материала, геометрические параметры заготовки и ее расположение в матрице для расчета основных силовых и кинематических параметров процесса формовки в условиях сложного нагружения;

- обоснована возможность снижения разнотолщинности изделий и их массы путем использования специально подготовленных заготовок с переменной толщиной стенки;

- установлено количественное влияние технологических факторов на качество получаемых изделий в части снижения разнотолщинности изделий и уменьшения числа технологических переходов.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработан новый способ изготовления трубопроводов с образованием крутоизогнутых колен повторяющейся формы, который не имеет ограничений по длине трубопровода;

- разработаны и реализованы в компьютерных программах математические модели, позволяющие рассчитать требуемые технологические параметры процесса формовки и обеспечивающие получение изделий с уменьшенной разнотолщинностью и массой;

- сформулированы технологические рекомендации, заключающиеся в специальном профилировании заготовки по толщине и рациональном размещении ее в матрице, что снижает разнотолщинность получаемых изделий в 2,0-2,5 раза, массу на 5-10% в зависимости от типоразмера, а также уменьшает количество технологических переходов;

- результаты исследований внедрены в опытное производство РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева.

Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью теоретических расчетов и экспериментальных исследований, а также опытным внедрением в производство.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 17 публикациях, в том числе в 5-ти научных статьях, 2 из которых опубликованы в журналах рекомендованных ВАК, 1-ой заявке на патент, получившей положительное решение, 9-ти тезисах докладов, которые обсуждались на российских и международных научно-технических конференциях, 2-х научно-исследовательских отчетах.

Внедрение полученных результатов. Результаты диссертационной работы использованы на предприятии РКЗ ГКНПЦ имени М.В. Хруничева, что подтверждено актом о внедрении.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка литературы и материалов приложений. Объем диссертации занимает 144 страницы машинописного текста, включает в себя 76 рисунков, 5 таблиц, 105 источников и 33 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, дана ее общая характеристика.

В первой главе приводится конструктивно-технологический анализ деталей типа крутоизогнутый патрубок. Дан обзор существующих способов изготовления крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок, а также обзор методов расчета напряженно-деформированного состояния и технологических параметров процессов.

Проведенные исследования показали, что существующие традиционные технологии ограничивают рост показателей качества крутоизогнутых патрубков по геометрическим и массовым характеристикам. В производстве не решены проблемы, связанные с разнотолщинностью изделий, что приводит к их избыточной массе. Традиционные технологии как правило многопереходны, что связано с низкими предельными возможностями формоизменения. В теоретическом плане процессы формовки исследовались известными российскими и зарубежными учеными, среди которых Е.А. Попов, М.Н. Горбунов, Е.И. Исаченков, В.И. Ершов, Б.Н. Марьин, 3. Марчиняк, Э. Томсен, Ш. Кабояши и

др. Однако в настоящее время отсутствуют методы решения, позволяющие учесть особенности формы заготовки и интенсифицирующие факторы (нагрев материала, деформационное и скоростное упрочнение) на любом этапе деформирования. Отсутствуют методы расчета, позволяющие установить распределение толщины стенки получаемого изделия и определить количественное влияние технологических факторов на качество получаемых деталей. Ряд задач по формовке крутоизогнутых патрубков из предварительно изогнутых трубных заготовок вообще не рассматривался.

Проведенный анализ существующих способов изготовления крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок и методов расчета технологических параметров процессов показал, что процессы формовки крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок исследованы на недостаточном уровне. Существующие методы расчета нуждаются в совершенствовании, что говорит об актуальности темы исследования.

Во второй главе проводятся теоретические исследования процессов формовки крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок по трем направлениям:

1) формовка полутора из листовой заготовки;

2) формовка крутоизогнутого патрубка из предварительно изогнутой трубной заготовки;

3) формовка крутоизогнутого патрубка из прямолинейной трубной заготовки.

Геометрическая интерпретация последовательности решения задач по формовке

листовых и трубных заготовок приведена на рис. 1. Сущность расчета заключается в том, что исходные геометрические параметры заготовки 8с,рс,ас задаются, после чего путем вычислений рассчитываются напряжения, деформации, необходимое для формоизменения давление, а также геометрические параметры получаемой детали Я, р, а.

Листовая заготовка известна

Трубная заготовка известна

В качестве исходных уравнений для анализа осесимметрчного процесса формовки крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок используются следующие выражения:

1.Уравнения равновесия элемента детали

- по касательной к элементу оболочки:

- по нормали к элементу оболочки:

2. Условие пластичности:

3. Условие постоянства объема:

4.Выражения для расчета логарифмических деформаций:

5.Уравнение связи напряжений и деформаций:

6. Уравнения состояния материала

- при деформационном упрочнении:

- при скоростном упрочнении:

7. Геометрические параметры одного и того же элемента заготовки и детали связаны друг с другом соотношениями из условия равенства объемов заготовки и детали в очаге деформации: где р— текущие значения толщины стенки и радиуса элемента детали

соответственно; сгт, ет0 - меридиональное и окружное напряжения; <т„ - нормальное

напряжение; <тг- напряжение текучести, а,- интенсивность напряжений; Ят, Лд -

меридиональный и окружной радиусы; ет<Ев<е„ - логарифмические деформации в

меридиональном, окружном направлениях и по толщине соответственно; е, - интенсивность

деформации, ё, - интенсивность скорости деформации; К,п - коэффициенты степенной

аппроксимации (л - показатель деформационного упрочнения); Т, т - коэффициенты

степенной аппроксимации (т - показатель скоростного упрочнения); , рс - исходные

значения толщины стенки и радиуса элемента заготовки соответственно; ас,а- угол между

касательной к элементу заготовки и детали соответственно и ее осью симметрии; - -

¿Рс

определяется геометрией заготовки.

При решении задач использовались численные и аналитические методы расчета. В качестве критерия предельного деформирования был выбран критерий, предсказывающий локальное или резкое утонение стенки заготовки в соответствие с зависимостью

йат ,, р <й . р—- + а„(\ + — —)-<?„ =0 , <Ир " 5 с!р "

5 я'

= , О",- = л/о-^-сТт<тв+а1

<тк _ 2ет + ев <г„ 2 Еа + £•„

0) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

е, +е0£„+е„2 ; (7)

¡¡рс _ 5р^\пас с!р 5срс эш а

с1р с!р <1р „

(8) (9) (10)

Совместное решение исходной системы уравнений позволило получить следующие математические модели:

- для моделирования процессов формовки в условиях деформационного упрочнения

4 Е В

£/5 Кп£'- '2 ~ д ра" 2а° }

стт -I1 + — (<*„ - ) + — - Ст,Кпе"-2 (ев +2е>

Зеп с1рс Зеп Зев ¿К. л_ в Рс ¿р р ар

(12)

(~2еп-Е0)2

С-*' ,2' В = (2сгт -сгд)-А(сгт -2сгв), (-2 £„ ~Ев)

с- / Л / 1 „ ,

Е = (еп+2ЕЛ----р - — -^(е +2ещ).

\Р Рс ¿Р ) 4Р

- для моделирования процессов формовки в условиях скоростного упрочнения

4 ро\тАЕ 2 2 , (Ле: \dtti В , , ,

ЗАе„ с!рс ЗАе„ 3Ае„ <15с

Л= Ае«~А£» в- Рс аР Р ар

- 2Ае„ - Ле9 ' - Аед )2

(13)

(-2АЕп -АевУ

-, О = (2<Ут — ав) — А(оя -2ад),

аг- / л л / 1 1 ¿Рс I 1 ✓ ^ . . ¿т <1т ¿е, АЕ = (Ае„ + 2АеЛ----р- -——^(Ле9 + 2Ае„), =

\Р Рс Ф) Ф <*Р <1р

- для моделирования процессов формовки в условиях деформационно-скоростного упрочнения

4 Е в „+га_2 В

-ЪРа^~2а'>) (14)

"51, В " " ЗО 5 Ат" в " )

Формовка полутора из листовой заготовки. Процесс формовки полутора с минимальным внутренним радиусом изгиба Яо из листовой заготовки осуществляется давлением д, создаваемым жидкостью, газом или эластичной средой в рабочую полость матрицы с радиусом г0. В зависимости от условий прижима фланца листовой заготовки процесс формовки может происходить с некоторыми элементами вытяжки, которая определяется величиной утяжки фланца заготовки в полость матрицы (рис. 2).

т

Решение реализуется численным интегрированием по методу Эйлера в первых точках и методу Адамса для последующих точек в следующей последовательности:

1. На первом этапе осуществляется ввод исходных данных: геометрия оснастки, характеристики материала и условия проведения процесса, граничные условия.

2. На втором - в соответствии с заданными условиями, производится разметка заготовки на множество кольцевых элементов, с заданным шагом. Проводится расчет геометрии заготовки.

3. На третьем - непосредственно моделируется процесс пластического деформирования листовой заготовки. Определяются напряжения и деформации в каждом элементе заготовки, производится расчет геометрических параметров получаемой детали, таких как толщина, радиус изгиба, высота рифта, а также технологических параметров ведения процесса формовки, таких как давление, время формоизменения и т.д. Для определения промежуточной формы детали (рис. 3) расчет осуществляется итерациями до обеспечения требуемого подбора значений величин меридионального Я„, и окружного /?в радиусов, что характеризует постоянство деформирующей нагрузки q вдоль образующей от одного расчетного элемента детали к другому.

Рис. 2. Схема процесса формовки полутора из листовой заготовки: Го.радиус рабочей полости матрицы; А - утяжка фланца заготовки в полость матрицы; Я и - внутренний радиус изгиба

Рис. 3. Схема определения уточненной формы промежуточной детали: Кт! - постоянный меридиональный радиус; Ят2- определяемый меридиональный радиус; Аа- изменение угла между касательной к элементу детали и ее осью симметрии

Теоретические расчеты проводились для листовых заготовок с исходной толщиной стенки 0,4... 1,0 мм, с параметрами «холодного» упрочнения материала и = 0,2 - 0,4 и в режиме штамповки с нагревом в условиях скоростного упрочнения, где п+т = 0,4 - 0,6. Граничные условия задавались на внутреннем радиусе изгиба. Расчет осуществлялся итерациями до обеспечения требуемых значений ргр, исходя из условия постоянства объемов (рис. 4).

В результате проведенных теоретических исследований по формовке полуторов из листовых заготовок установлены и исследованы новые закономерности пластического деформирования.

1. Установлено, что предельные возможности формовки полутора относительно низкие и связаны с неблагоприятным (плоским) напряженно-формированным состоянием заготовки в полости матрицы (рис.5). При этом предельная деформация Е,„р=п+т.

2. Утяжка фланца в зону формовки увеличивает предельную высоту получаемой детали на 25-30% (рис.6).

3. Формовка с нагревом (деформационно-скоростное упрочнение материала) позволяет получать изделия с разнотолщинностью до ±10% и увеличивает высоту получаемой детали в 1,5-2,0 раза (рис.7),

4. Использование профилированной по толщине заготовки позволяет снизить разнотол-щинность деталей в 1,5 раза (рис.8).

5. Установлено, что промежуточная форма торообразной детали до момента ее полного соприкосновения с матрицей отличается от «простой» формы, образованной дугой окружности (рис.9). Это может иметь решающее влияние в расчетах пружинения после снятия внешней нагрузки.

-0,2

-0,4

1 \

2

3 ___

К+Ьо

Рис. 5. Характер распределения деформаций по относительному радиусу полутора (п+т=0,4; к/г<г*0,61; А/2г^=10%): 1 - ет; 2 - £о, 3 - е„

- 3

_2

---1

Р

К+А

Рис. 4. Блок-схема алгоритма программы для определения промежуточной формы полуторовой детали при формовке из листовой заготовки

Рис. 6. Распределение толщины стенки по относительному радиусу полутора для предельно возможной высоты в зависимости от утяжки фланца в очаг деформации

(и+ет=0,4): 1 - /1/г„=0,47; Л/2г„=0%; 2 - Л/г„=0,61; А/2г0= 10%; 3 - АЛ-„=0,76; А/2г„=20%

11

Рис. 7. Влияние величины утяжки фланца на распределение толщины стенки полутора в условиях деформационно-скоростного упрочнения (п+т=0,б; Ъ/го~1,Оу.

\ - ¿)/>»=0%; 2 - А/2г0=9%; 3 - АПг^ 18%

h, мм

10.0

Рис. 8. Влияние профилирования листовой заготовки на конечное распределение толщины полутора (п+т=0,4; h/r„=0.5)\ 1 - S„=const, A/2r(j= 0%; 2 — утонение на 20%, A/2rf 10%; 3 - утолщение на 20%, /1/2гЛ=0%; 4-утолщение на 10% с последующим утонением на 20%, =13%

О 30,0 57.5 85,0 р, мм

Рис. 9. Форма получаемой детали при свободной формовке (1) и в жесткой матрице, образованной вращением дуги окружности (2) (п+т=0,6; А/2гп=0%; 30 мм; 2га= 55 мм)

Формовка крутоизогнутого патрубка из предварительно изогнутой трубной заготовки. Рассмотрен процесс формовки предварительно изогнутой трубной заготовки. Деформирование заготовки осуществляется давлением с/, создаваемым жидкостью или газом в рабочий кольцевой канал матрицы с радиусом г и радиусом изгиба й-г (рис. 10).

Решение задачи реализуется численно в последовательности, аналогичной расчету процесса формовки листовой заготовки. На первом этапе теоретические расчеты проводились для трубной заготовки, сечение которой принимается в форме окружности. Расстояние от оси симметрии до места установки заготовки в матрице варьировалось. Алгоритм расчета приведен на рис. 11.

В результате проведенных расчетов был установлен характер распределения толщины стенки получаемой детали, в зависимости от исходного места установки заготовки. Наиболее благоприятным будет являться место установки заготовки у внутреннего края матрицы. В этом случае необходимо, чтобы трубная заготовка была изначально изогнута на радиус меньший, чем 1,5 диаметра заготовки. Однако получение такой заготовки для формовки представляет определенные трудности.

Для расширения технологических возможностей процесса формовки предварительно изогнутой трубной заготовки был разработан специальный способ формоизменения и как результат, поставлена и решена новая задача, которая ранее не исследовалась. Сущность

Рис. 10. Схема формовки предварительно изогнутой труб ной заготовки: г-радиус рабочей полости матрицы; /? -средний радиус изгиба канала матрицы; Яс - параметр, оп ределяющий местоположение заготовки в матрице

способа заключается в том, чтобы снять ограничения, которые накладываются традиционными способами гибки. Это достигается путем предварительного сплющивания деформируемого участка и последующем его изгибе (рис. 12). Поскольку формовка осуществляется в разъемной матрице, не имеющей замкнутого контура, такая задача является неосесимметриченой.

Для решения такой задачи в теоретическом плане были проведены расчеты для предварительно изогнутых труб, с различными поперечными сечениями после операций сплющивания и изгиба гс. Расстояние до места установки изогнутой заготовки в матрице Яс варьировалось (рис. 13). Для адаптации неосесимметричной формовки трубной заготовки к разработанным математическим моделям в работе введены некоторые допущения.

В результате проведенных теоретических исследований по формовке крутоизогнутых патрубков из предварительно сплющенных и изогнутых трубных заготовок установлено следующее.

1. Определено оптимальное расположение сплющенной и изогнутой заготовки в полости матрицы. Наименьшую разнотол-щинность будут имеет детали, получаемые из заготовки, прилегающей к внутреннему контуру матрицы. По мере отдаления заготовки от внутреннего радиуса изгиба матрицы, то есть с увеличением радиуса изгиба заготовки, разнотолщинность деталей увеличивается, а также возрастает вероятность гофрообразования (рис. 14).

2. Установлено влияние разнотолщин-ности исходной трубной заготовки и ее расположение в матрице на конечное распределение толщины детали: благоприятное расположение заготовки утоненным краем к внутреннему радиусу изгиба матрицы позволяет снизить разнотолщинность 2 2,0-2,5 Рис- 11 ■ Блок-схема алгоритма программы для решения

задачи формовки предварительно изогнутой трубной заго-

раза (рис.15). товки

и

Ы

Рис. 12. Последовательность получения крутоизогнутого элемента трубы: а) поперечный изгиб (расплющивание) трубы в зоне последующего изгиба; б) продольный изгиб трубы; в) формовка трубы в зоне изгиба: 1 - матрица; 2 - заготовка; 3 - заглушка

Рис. 13. Геометрическая интерпретация задачи формовки предварительно изогнутой трубы

Рис. 14. Распределение толщины стенки по текущему радиусу торообразной детали для различных форм сечений предварительно изогнтых труб диаметром 30,0 мм (/7=0,2): 1 -гс= 16 мм, Дс=49,5 мм; 2 - гс= 14 мм, Яс=52 мм; 3 —гс=20,5 мм, Яс=52 мм

Рис. 15. Распределение толщины стенки по текущему радиусу крутоизогнутой детали для предварительно изогнутых труб диаметром 30,0 мм («=0,6; гс=15мм, /?с=50 мм): 1 - благоприятная ориентация заготовки;

2 - неблагоприятная ориентация заготовки;

3 —неориентированная по толщине заготовка

Формовка крутоизогнутого патрубка из прямолинейной трубной заготовки. Рассмотрен процесс формовки прямолинейной трубной заготовки внутренним давлением деформирующей среды по жесткой матрице (рис. 16). Трубная заготовка 1 укладывается между нижней и верхней полуматрицами 2, прижим которых осуществляется силой Р. На концах заготовки имеются заглушка 3, обеспечивающая герметичность, и заглушка 4, через которую подается деформирующая среда под давлением д. Процесс может осуществляться с нагревом материала заготовки или в холодном состоянии. В работе приводится приближенное решение указанной задачи при следующих допущениях:

- рассматривается только срединное сечение, с условной осью симметрии;

- процесс формовки считается монотонным;

- считается, что заготовка равномерно утоняется в окружном и меридиональном направлениях (рис. 17).

Рис. 16. Схема процесса формовки прямолинейной трубной заготовки в матрице: 1 - трубная заготовка; 2 - матрица; 3 - заглушка; 4 — заглушка со штуцером

Рис. 17. К приближенному расчету процесса формовки: 1 - прямолинейная заготовка; 2 - деталь; /<?— длина участка заготовки, подлежащего деформированию в матрице; - меридиональный радиус; Кп- радиус трубной заготовки; ЛИ - изменение заготовки по высоте; окружной радиус; /?- половина центрального угла дуги деформируемого участка заготовки; О - диаметр канала матрицы

Решение задачи осуществляется путем совместного решения уравнения равновесия и приближенного условия пластичности. Толщину стенки определяют из выражения для расчета деформации по толщине. В результате проведенных расчетов было установлено распределение деформаций в очаге деформации (рис. 18) и характер распределения давления по времени формоизменения (рис. 19).

Таким образом, по полученным зависимостям, можно предварительно определить режимы формоизменения при формовке прямолинейной трубной заготовки и толщину стенки получаемой детали, что позволяет приближенно оценить предельные возможности процесса.

д, атм

Рис. 18. Распределение деформаций по относительной высоте получаемой детали (для трубной заготовки 030x1,5 мм, АИ^А мм, Лср=50, ё,опт =0,002 с"1, <т5= 2,2 кг/мм2, /(5=106 мм): 1 - ет; 2 - ед\ 3 - е„

и jv 60 "U 150 1X0 1С

Рис. 19. Типовое распределение давления по времени для трубной заготовки 042x1,1 мм в зависимости от условий деформирования: 1 - é/o„„ =0,002 с"1, os=2,2 кг/мм2;

2 - élonm=0,001 с"1, <75=2,2 кг/мм2;

3 - ¿/о,„„=0,001 с"1, cr.s=3,0 кг/мм2

В результате проведенных теоретических исследований процессов формовки листовых и трубных заготовок установлено количественное влияние технологических факторов на качество получаемых деталей в части уменьшения разнотолщинности, снижения массы и числа технологических переходов.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований. Описана методика проведения экспериментов. Приводятся сведения об используемом оборудовании, оснастке и инструменте. Дано сопоставление экспериментальных данных с теоретическими расчетами.

Экспериментальные исследования проводились по трем направлениям:

1. Формовка полуторов из листовых заготовок.

2. Формовка крутоизогнутых патрубков из предварительно изогнутых трубных заготовок.

3. Формовка крутоизогнутых патрубков из прямолинейных трубных заготовок.

Для исследования по первому направлению использовались листовые заготовки из материалов М1 толщиной 0,47 мм, 12Х18Н10Т толщиной 0,47 мм, АМгбМ толщиной 0,77 мм и АМцМ толщиной 0,93 мм.

Процесс «свободной» формовки в жесткую кольцевую щель обеспечивал получение изделия с внутренним радиусом изгиба 45 мм и шириной рифта 55 мм. Процесс осуществлялся в холодном состоянии резиновым контейнером на гидравлическом прессе ПД 476 (давлением до 100 атм) (рис. 20, а) и жидкостью на экспериментальной гидравлической установке (давлением до 60 атм) (рис. 20, б).

Процесс формовки в матрице с внутренним радиусом изгиба 30 мм и шириной рифта 55 мм (рис. 21) осуществлялся в нагретом состоянии (до 420°С) сжатым воздухом (давлением до 10 атм).

а) б)

Рис. 20. Схема процесса «свободной» формовки полуторов из листовых заготовок в Рис. 21. Матрица для

кольцевую щель: а) 1- резиновый контейнер, 2 - кольцевой прижим, 3 - заготовка, формовки полуторов из лис-

4 - матрица, 5 - стол пресса, 6 - цилиндр, 7 - деталь; б) I - цилиндрический при- товых заготовок

жим, 2 - кольцевой прижим, 3 - заготовка, 4 - матрица, 5 - плита, 6 - отверстие для подачи жидкости, 7 - деталь

В результате обработки результатов проведенных исследований по формовке крутоизогнутых элементов из листовых заготовок были получены следующие результаты.

1. При формовке полуторов без утяжки фланца разрушение возникает при условии И/го>0,5 в «холодном» состоянии и М-0>О,76 при формовке с нагревом (рис. 22).

2. За один переход были получены полуторы (рис. 23) с радиусами кривизны й„„=1,1 го и относительной высотой И/го=0,9 при формовке с нагревом и Д„„=1,6го, И/го=0,6 в холодном состоянии.

3. Отклонение формы детали при «свободной» формовке отличается от формы, образованной дугой окружности и соответствует форме, установленной теоретическими расчетами.

4. При сравнении теоретических значений толщины стенки с экспериментом, установлено, что разработанная теоретическая модель адекватна реальным условиям формообразования. Отклонение расчетных и экспериментальных данных при формовке листовых заготовок в холодном состоянии, в том числе и для расчета промежуточной формы детали не превышает 5-10%, а при формовке листовых заготовок с нагревом 15% (рис. 24, 25). Величина разнотолщинности по образующей получаемых изделий составляет ±12%.

Рис. 22. Разрушение полутора из меди М1 толщиной 0,47 мм в холодном состоянии при «свободной» формовке

1.0

0,9

0.8

0,7

0.6

0,2 0,4 0.6 0.8 1.0 р

Рис. 24. Распределение толщины по образующей торо-образной детали, получаемой из материала М1 толщиной 0,47 мм в холодном состоянии (А/гд=0,6): 1 - жесткая форма; 2 - «свободная форма»; • - экспериментальные точки

Рис. 23. Полутор =1,1 гп, И/гп=0,9, получаемый из листа АМгбМ толщиной 0,77 мм с нагревом

/3

/ • • • • •

---

/ ^—" '

у ь

1

0.3 0.4 0.5 0.6 0,7 0,8 0,9 р

К+А

Рис. 25. Распределения толщины по образующей торообразной детали, получаемой из материала АМгбМ толщиной 0,77 мм с нагревом (И/гп=1,0, п+т=0,5)\ 1 - утяжка 0%\ 2 - утяжка 9%; 3 - утяжка 18% ; • - экспериментальные точки, утяжка 9%

По второму направлению использовались трубные заготовки из алюминиевых сплавов АМгбМ 030x1,5 мм, АМгбМ 042x1,1 мм, АМгЗМ 030x1,5 мм. Для формовки крутоизогнутых патрубков из предварительно изогнутых трубных заготовок использовалась разъемная матрица, обеспечивающая получение детали с внутренним радиусом изгиба 35 мм, с внешним радиусом изгиба 67 мм и диаметром проходного сечения 32 мм (рис. 26).

В результате экспериментов по формовке крутоизогнутых элементов из предварительно сплющенных и изогнутых трубных заготовок были получены следующие результаты.

1. Установлено, что наиболее выгодной формой заготовки при формовке предварительно изогнутых трубных заготовок является форма, повторяющая контур внутреннего изгиба полости матрицы. Чем дальше заготовка будет установлена от внутреннего радиуса изгиба матрицы, тем более вероятно возникновение дефектов в виде гофров (рис. 27).

2, Разработанный способ формовки позволяет получать крутоизогнутые изделия с геометрическими параметрами /?«„=/,0-/.2Д, (рис. 28).

3. Ориентация разнотолщинной заготовки в матрице влияет на разнотолщинность получаемых изделий. При неориентированной по толщине заготовке разнотолщинность получаемого крутоизогнутого патрубка составляет ±12%. При благоприятной ориентации заготовки разнотолщинность изделия составляет ±4%, а при неблагоприятной ±15%. Таким образом, правильная ориентация заготовки в матрице позволяет снизить разнотолщинность получаемых изделий в 3 раза. Отклонение расчетных и экспериментальных данных составляет 5-10% (рис. 29).

Рис. 27. Характер гофрообразования на внутреннем радиусе изгиба при формовке АМгЗМ 030x1,5 мм по внешнему радиусу изгиба

Рис. 29. Распределение толщины стенки получаемой детали по текущему радиусу изгиба для заготовки из АМгбМ 030x0,95 мм: 1 - благоприятно ориентированная заготовка; • - экспериментальные точки; 2 - неблагоприятно ориентированная заготовка; ■ - экспериментальные точки; —— - теоретические кривые

Рис. 26. Полуматрицы для проведения экспериментальных исследований по формовке предварительно изогнутых трубных заготовок

Рис. 28. Крутоизогнутые патрубки /?е„=35 мм, £>=32 мм, получаемые из предварительно изогнутых трубных заготовок АМгЗМ 030x1,5 мм

По третьему направлению использовались трубные заготовки из алюминиевых сплавов АМгЗМ 038x1 мм, АМгбМ 030x1,5 мм, АМгбМ 030x1,0 мм, АМгбМ 042x1,1 мм. Для формовки крутоизогнутых патрубков из прямолинейных трубных заготовок использовалась разъемная матрица, обеспечивающая получение детали с внутренним радиусом изгиба 25 мм, с внешним радиусом изгиба 75 мм и диаметром проходного сечения 50 мм (рис. 30).

Рассмотренный способ формовки позволяет получать крутоизогнутые изделия с геометрическими параметрами Яв„=(0,6... 0,65)ВН (рис. 31). Отклонение расчетных данных не превышает 25% (рис. 32). Величина разнотолщинности по образующей получаемого изделия составляет ±15 %.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований сформулированы технологические рекомендации для изготовления крутоизогнутых патрубков формовкой листовых и трубных заготовок, позволяющие уменьшить разнотолщинность получаемых изделий и снизить трудоемкость их изготовления путем

использования заготовок с переменной толщиной стенки. Результаты исследований внедрены на ФГУП ГКНПЦ имени М.В. Хруничева.

Рис. 30. Оснастка для проведения экспериментальных исследований по формовке прямолинейных трубных заготовок

0,8

0,6

0,4

0,6

0,8

Рис. 31. Крутоизогнутый патрубок Явы =25 мм, £)=50 мм из трубной заготовки АМгЗМ 038x1,0 мм

1,0 Р

К»»,..

Рис. 32. Распределение толщины стенки получаемой детали по текущему радиусу изгиба для заготовки АМгЗМ 038x1,0 мм: - теоретическое допущение; • - осредненные экспериментальные точки: 1 - краевые сечения; 2 — сечения зоны формовки;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обзор способов изготовления и методов расчета напряженно-деформированного состояния при изготовлении крутоизогнутых патрубков из листовых и трубных заготовок показал, что существующие традиционные технологии изготовления ограничивают рост показателей качества крутоизогнутых патрубков по геометрическим и массовым характеристикам. Известные методы расчета базируются или на экспериментальных зависимостях, или являются приближенными. Таким образом, решается лишь ряд задач, связанных обычно с определением силовых параметров процесса. Отсутствует метод расчета, позволяющий установить новые закономерности пластического деформирования листовой или трубной заготовки, с учетом особенностей формы заготовки и интенсифицирующих факторов.

2. В результате проведенных теоретических исследований процессов формовки листовых и трубных заготовок установлены новые закономерности управления разнотолщинностью получаемых изделий за счет использования листовых и трубных заготовок с переменной толщиной стенки. Разработана методика расчета, позволяющая рассчитывать технологические параметры процесса обработки, геометрические параметры промежуточных и окончательных форм получаемой детали и предельные деформации в условиях сложного нагружения.

3. Обоснована возможность снижения разнотолщинности крутоизогнутых патрубков, получаемых формовкой из листовых и трубных заготовок путем использования специально подготовленных заготовок с переменной толщиной стенки. Установлено количественное

влияние температурно-скоростных факторов на качество получаемых деталей в части снижения их разнотолщинности и уменьшения числа технологических переходов.

4. Предложен приближенный метод расчета технологических параметров процесса формовки для крутоизогнутых деталей из прямолинейных трубных заготовок.

5. Проведены экспериментальные исследования процессов формовки листовых и трубных заготовок. Установлено, что погрешность теоретических расчетов, проведенных при помощи разработанных компьютерных программ составляет от 5 до 15%, в зависимости от рассматриваемого процесса, а для приближенного метода расчета погрешность не превышает 25%.

6. Разработан и экспериментально апробирован новый способ изготовления крутоизогнутых патрубков, а также гибки трубопроводов без ограничений по длине с образованием колен повторяющейся формы.

7. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований сформулированы технологические рекомендации для процессов формовки крутоизогнутых элементов из листовых и трубных заготовок, заключающиеся в специальном профилировании заготовки по толщине и рациональном размещении ее в матрице. Это обеспечивает снижение разнотолщинности получаемых изделий в 2,0-2,5 раза, массы на 510% в зависимости от типоразмера, а также уменьшает количество технологических переходов.

8. Результаты исследований внедрены в опытное производство РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева с ожидаемым годовым экономическим эффектом 0,87 млн. руб.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

1. Чумадин A.C., Ершов В.И., Шемонаева Е.С. Исследование процесса формовки полуторов из листовых заготовок// Авиационная промышленность. 2013. №2. С. 33-36.

2. Чумадин A.C., Шемонаева Е.С. Изготовление крутоизогнутых элементов формовкой трубных заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2013. №6. С.15-18.

Статьи, опубликованные в изданиях, не входящих в перечень ВАК РФ

3. Шемонаева Е.С. Распределение толщины стенки изогнутой трубы при формовке // Научные труды. МАТИ. Вып. 18(90). - М.: МАТИ. 2011. С. 109-112.

4. Шемонаева Е.С. О способах изготовления цельноштампованных переходников // Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 19(91). - М.: МАТИ. 2012. с.194-198.

5. Шемонаева Е.С. Приближенный метод расчета технологических параметров при формовке крутоизогнутых патрубков // Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 21(93). - М.: МАТИ. 2013. С.226-231.

Материалы научных конфереичий

6. Чумадин A.C., Шемонаева Е.С. Математическая модель распределения толщины стенки изогнутой трубы. Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVI Академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2012 г./ Под общей редакцией А.К. Медведевой. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2012. - с. 520-521.

7. Шемонаева Е.С. Обзор способов изготовления деталей типа крутоизогнутый патрубок. XXXVIII Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах, Москва, 10-14 апреля 2012 г. М.: МАТИ, 2012. Т.2. - с.32-33.

8. Шемонаева Е.С. Моделирование процесса формовки крутоизогнутого патрубка. Материалы симпозиума с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы», 2-5 июля 2012 г. - Самара: СГАУ, 2012. - с.437-43.

9. Чумадин A.C., Шемонаева Е.С. Особенности формы получаемых деталей при свободной формовке деталей из листа и трубы. Новые материалы и технологии-НМТ-2012. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 20-22 ноября 2012 г. - М.: МАТИ, 2012. - с. 160-161.

10. Чумадин A.C., Шемонаева Е.С. Расчет формы получаемой детали при свободной (без матрицы) формовке тора. Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVII Академических чтений по космонавтике. Москва, январь-февраль 2013 г./ Под общей редакцией А.К. Медведевой. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2013. - с.593-594.

11. Шемонаева Е.С. Теоретическое моделирование процесса формовки полуторов из листовых заготовок. XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. Москва, 9-13 апреля 2013 г. М.: МАТИ, 2013. Т.2. - с.27-28.

12. Шемонаева Е.С. Приближенное решение задачи получения детали типа крутоизогнутый патрубок. XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. Москва, 9-13 апреля 2013 г. М.: МАТИ, 2013. Т.2. - с. 16-17.

13. Шемонаева Е.С. О методах расчета процесса формовки в производстве крутоизогнутых патрубков. Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVIII Академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2014 г. / Под общей редакцией А.К. Медведевой. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2014. - с.554-555.

14. Шемонаева Е.С. Влияние разнотолщинности листовой заготовки на толщину полутора при формовке. XL ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. Москва, 7-11 апреля 2014 г. М.: МАТИ, 2014. Т.2, с.38-39.

Патенты

15. Заявка 2013135678 Российская Федерация. Способ гибки с образованием колен повторяющейся формы / Чумадин A.C., Шемонаева Е.С. и др.; заявитель ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева — № 2013135678; заявл. 16.01.2012; опубл. 31.07.2013.

Отчеты о научно-исследовательских работах

16. Разработка технологий изготовления деталей РКТ с помощью универсальных (эластичных и воздушных) сред, а также методами ротационной вытяжки : отчет о НИР / Чумадин A.C., Шемонаева Е.С. и др. - Москва : ФГУП «НИЧ МАТИ», 2011. - 182 с.

17. Изготовление обшивок из монолитных и сварных листовых заготовок : отчет о НИР / Чумадин A.C., Шемонаева Е.С. и др. - Москва : ФГУП «НИЧ МАТИ», 2012. - 273 с.

Заказ № 26-Р/10/2014 Подписано в печать 08.10.14 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,0

ООО "Цифровичок", г. Москва, Большой Чудов пер., д.5 -¿^ЛЧ тел. (495)649-83-30

(Г^у) www.cfr.ru ; e-mail: zakpark@cfr.ru