автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование процессов изготовления деталей летательных аппаратов гибкой листовых и профильных заготовок с дополнительным нагружением

На правах рукописи Экз № 6

ЖУКОВ Ммаил Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ГИБКОЙ ЛИСТОВЫХ И ПРОФИЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ НАГРУЖЕНИЕМ

Специальность: 05.07.02 "Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ

г диссертации на соискание ученой степени

| кандидата технических наук

1

Москва 2003

Работа выполнена на кафедре "Технология производства летательных аппаратов" "МАТИ" - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского

Научный руководитель -Консультант -Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие -

доктор технических наук, профессор Чумадин A.C. доктор технических наук Киселев А. И.

доктор технических наук, профессор Гаврилин В.Д.

кандидат технических наук, профессор Шпунькин Н. Ф. ОАО "ОКБ Сухого"

Защита состоится " " 2003 г. в 13час. 00 мин. на заседании

диссертационного Совета Д212.110.02 "МАТИ" - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского по адресу: 109240, г. Москва, Берниковская наб., д. 14, стр.2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке "МАТИ"- Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан " 26" сентября 2003 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу 103767, г. Москва, Г-552, ул. Оршанская, д. 3, "МАТИ"- Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского, Ученому секретарю диссертационного Совета Д212.110 02.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.110.02.

кандидат технических наук, доцент —Силуянова М. В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы гибки широко применяются при изготовлении самых разнообразных деталей летательных аппаратов: обшивок, шпангоутов, стрингеров, элементов гидро- и пневмосистем и др Одним из способов достижения необходимой точности получаемых деталей, обеспечивающего уменьшение пружинения детали (упругой отдачи) после снятия внешней нагрузки, является ведение процесса гибки в условиях дополнительного силового нагружения Обычно это гибка с дополнительным окружным растяжением или сжатием. Однако возможности дополнительного силового нагружения в полной мере не исследованы, так как это зависит от конкретной схемы процесса, вида и "истории" нагружения, что требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Кроме этого, величины дополнительного нагружения зависят от материала и формы исходной заготовки и геометрических параметров получаемой детали.

Теоретический анализ процесса гибки проводился как отечественными, так и зарубежными учеными: Губкиным С.И., Горбуновым М.Н, Ершовым В.И., Закировым И.М, Звороно Б П., Исаченковым Е.И., Лысовым М.И., Малининым H.H., Матвеевым А Д, Мошниным Е Н., Поповым Е.И, Смирновым-Аляевым Т.А, Томленовым АД и многими другими В результате этих исследований были выявлены зависимости между основными факторами и предложены методики расчета технологических параметров процесса Однако предложенные методики ограничены рамками конкретного процесса, учитывают ограниченное число факторов силовой интенсификации и не дают возможность вести расчет нестационарно протекающих процессов.

Кроме того, увеличение номенклатуры деталей и появление качественно новых материалов, применяемых в конструкциях летательных аппаратов, требуют разработки новых теоретических моделей расчета. Например, возникает необходимость рассчитывать технологические параметры процесса гибки многослойных листовых и профильных заготовок в усповиях сложного нестационарного силового нагружения

Такое разнообразие задач и многовариантность силового нагружения требуют поиска оптимальных режимов ведения процесса в условиях силовой интенсификации Все это диктует необходимость разработки более общих и полных моделей, совершенствования расчетных методик, уточнения расчетных случаев и использования рационального подхода к молелипованию процессов

гибки.

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

Целью исследования является повышение качества деталей, получаемых гибкой; путем разработки оптимальных режимов дополнительного силового нагружения.

• - Объектом исследования являются процессы гибки листовых и профильных з&готоЪок в условиях дополнительного силового нагружения и неразрывно связанное с ними последующее пружинение (упругая отдача).

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

Методологические основы Теоретические исследования при разработке математических моделей процесса гибки базируются на основных положениях теории пластичности и методах исследования процессов пластического деформирования листовых и профильных заготовок, в частности, на методику решения задач осесимметричного деформирования. Расчеты пружинения велись на Основе теоремы об упругой разгрузке Ильюшина А А На защиту выносятся'

- математические модели процессов гибки узкой и широкой полосы в условиях сложного силового нагружения, а также методика расчета упругой разгрузки; алгоритмы расчета процессов гибки листовых и профильных заготовок в

' условиях сложного силового нагружения, изменяющегося в ходе процесса,

- программы расчета технологических параметров процессов гибки и пружинения листовых и профильных заготовок, разработанные на базе созданных математических моделей и методик расчета.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны новые математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния и технологических параметров при гибке одно- и многослойных листовых и профильных заготовок в условиях сложного силового нагружения;

- определены оптимальные режимы гибки с окружным растяжением и радиальным сжатием,

- получены неизвестные ранее закономерности гибки под действием нескольких нагрузок

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны программы расчета технологических параметров процесса, с помощью которых определены оптимальные режимы гибки под действием нескольких нагрузок, позволяющие обеспечивать требуемую точность при минимальных деформациях заготовки, в результате чего повышается качество и снижается трудоемкость при изготовлении деталей летательного аппарата

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных молодежных научных конференциях XXV-XXIX "Гагаринские чтения", проводившихся в МАТИ в 1999-2003 годах, международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Современные проблемы аэрокосмической науки и техники" в 2000 г, и на первой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности", проводившейся "ОКБ Сухого" в 2002 году в г Москве.

Публикации Содержание работы изложено в 5 статьях, 7 тезисах докладов к научно-практическим конференциям, 2 отчетах по НИР и в методических указаниях к лабораторным работам

Внедрение результатов исследования Разработанные математические модели и программы расчета были внедрены на ОАО КнААПО им Ю А Гагарина и в учебный процесс в "МАТИ" - РГТУ им К. Э. Циолковского на кафедре "Технология производства летательных аппаратов".

Программа расчета технологических параметров гибки узкой полосы в условиях дополнительного нагружения внесена в Реестр программ для ЭВМ (свидетельство № 20036! 1036)

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, обших выводов и библиографии Работа содержит 150 страниц машинописного текста. 65 рисунков, 31 таблицу, список из 44 библиографических источников и приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика применения деталей, изготавливаемых гибкой, в конструкциях летательных аппаратов (рис 1) Приводится цель работы и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость. Представлена краткая аннотация по главам

В первой главе приводится литературный обзор работ по гибке листовых и профильных заготовок Приведены основные зависимости для расчета технологических параметров процесса гибки и пружинения, а также дана краткая характеристика основных схем реализации процесса

элементы с ил о но» о набор«

обшивки

%

О

Рис. 1. Типовые детали летательных аппаратов, изготавливаемые гибкой

э.1Сменты I и.фо-и пиевмосистем

Как показывает проведенный анализ, все схемы реализации'процесса гибки можно разделить на традиционные и интенсифицированные. Среди интенсифицированных, реализуемых в условиях дополнительного силового нагружения, наибольшее распространение нашли процессы гибки с растяжением в окружном и сжатием в радиальном направлениях, а также их комбинации Наилучшие результаты имеют место при реализации гибки в условиях дополнительного силового нагружения, изменяющиеся в ходе процесса деформирования, например, ступенчатая и комбинированная обтяжка, что дает возможность обеспечивав заданную точность при минимально необходимых деформациях заготовки

Процесс гибки и пружинения исследовался многими учеными как теоретически, так и экспериментально. В результате этих исследований были выявлены зависимости между основными факторами и предложены методики расчета технологических параметров процесса При этом наиболее полно исследованы традиционные схемы гибки моментом и процессы с одним силовым интенсифицирующим фактором, в частности, изгиб с растяжением.

Одним из путей повышения качества и снижения трудоемкости изготовления тонкостенных деталей планера летательного аппарата гибкой является применение эффективных, адекватно отражающих существенные особенности математических моделей технологического процесса. Наиболее эффективными являются модели, позволяющие определять не только напряженно-деформированное состояние, но и основные геометрические характеристики получаемых деталей с учетом пружинения, применение которых позволит повысить качество и снизить трудоемкость изготовления

Поэтому задача создания более полной и точной методики расчёта технологических параметров процесса гибки листовых и профильных заготовок в условиях сложного силового нагружения является актуальной, а сам процесс требует дополнительных исследований.

Таким образом, целью исследования является повышение качества деталей, получаемых гибкой, путем разработки оптимальных режимов дополнительного силового нагружения.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработаны новые математические модели и методики расчета напряженно-деформированного состояния и технологических параметров процессов гибки одно- и многослойных листовых и профильных заготовок в условиях дополнительного силового нагружения (в радиальном и окружном направлениях),

- разработана новая методика расчета предельных возможностей процесса гибки,

- предложена методика расчета напряженно-деформированного состояния и параметров пружинения листовых и профильных заютовок;

- определены оптимальные режимы ведения процесса на основе созданных математических моделей с использованием компьютерных программ расчета технологических параметров, автоматизирующих расчеты;

- проведена экспериментальная проверка созданных математических моделей, методик и разработанных программ расчета, а также оценка их адекватности при гибке переменным моментом (в штампах)

Теоретический анализ процессов гибки листовых и профильных заготовок представлен во второй главе Для проведения анализа была выбрана разработанная в МАТИ методика расчета осесимметричных задач листовой штамповки, хорошо зарекомендовавшая себя при исследовании различных

процессов обработки металлов давлением. К достоинствам математических моделей, созданных в соответствии с этой методикой, следует отнести универсальность и широкие возможности учета как свойств материалов, так и условий деформирования

Поскольку в рамках используемой методики процесс гибки в общем случае требует -введения характерных допущений, были выделены два основных расчетных случая- изгиб широкой полосы, когда деформированное состояние полагалось плоским, и изгиб узкой полосы, когда напряженное состояние полагалось двухосным. Подобная идеализация согласуется с принятой практикой анализа Процессов гибки.

При анализе, помимо того, были приняты следующие допущения-расслоение заготовки не происходит, заготовка деформируется в соответствии с типотезой "плоских сечений", контактное трение и эффект Баушингера не учитываются

В рамках принятых допущений были составлены исходные системы уравнений, при этом были использованы уравнение равновесия элемента заготовки, энергетическое условие пластичности, уравнения связи напряжений и деформаций, линейно-степенная аппроксимация кривой упрочнения. Величина окружной деформации, согласно гипотезе плоских сечений, определяется зависимостью.

е0-1п(фК/Ьз). (1)

где Ь, -длина заготовки; ф - угол изгиба

В случае изгиба широкой полосы, согласно допущению о плоском деформированном состоянии, для всех уравнений системы полагалось е/-0 и <18/<Ж=0.

Момент внутренних сил относительно нейтральной поверхности и усилие на торцевых поверхностях рассчитывались по формулам

^ внеш ^внеш

М= /сГ(э(К - Шо^сШ. И , где г - ширина заготовки.

^■внутр ^внутр

Составленная система уравнений позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние при гибке широкой полосы в условиях дополнительного силового нагружения в окружном и (или) радиальном направлениях (рис. 2) Величина и характер интенсифицирующей нагрузки определяется граничными условиями и методикой расчета

Анализ процесса гибки узкой полосы велся как для случая изгиба прямолинейной заготовки, так и для случая изгиба заготовки, имеющей первоначальную кривизну

в)

я)

ж)

3)

Рис 2 Расчётные случаи изгиба широкой и узкой полос в условиях дополнительного нагружения. а, б-с окружным растяжением (сжатием), радиальным сжатием и растяжением (сжатием) по ширине заготовки; в, е - с окружным растяжением (сжатием), радиальным сжатием, г, ж - с окружным растяжением (сжатием), д. з - гибка моментом

При решении была использована указанная выше система уравнений с учетом двухосного напряженного состояния. Итоговые выражения найдены в виде распределения меридиональных напряжений по высоте заготовки - для случая изгиба прямоугольной заготовки:

с!а„

1 (-сш4 0в)В-0т1п-Р.(сп I 2с9) I ЗепС(-ат + 2с0)2)

сШ К где 8е =1п(фК/Ь3), еп=е0

а5 = Ке,";

^то« 2

1 П

- 2сг0 + стт __л/3__

+ е„ее

В = ЗееаЛ-ат +2сгв)2(е2 +епее + е^) + а2п(2еп +е6)3,

Р = а2(2еп+ее)2;

(2)

о .

С = +8п8е+82);

а„, стт, с« - компоненты тензора напряжений; е„, ет, Ег> - компоненты логарифмических деформаций; п, К - коэффециенты степенной аппроксимации

кривой упрочнения, е, , а, - интенсивность деформации и напряжений соответственно; с5 - напряжение текучести,

- для случая изгиба заготовки, имеющей первоначальную кривизну, с учетом накопленной интенсивности деформации

<1К

' Ъ + (-аш + 2сте )о0 - ат (~2от + а9) 1 (е,0 + е, )К

Ь3 ак

(3)

1 1 <111

К <1Л

(еш+е,) (Ж

где

О = ~—ст1п(2ес + ев) - (е,0 + е, Х- сг„ + 2о0)2; Зе.

0 =

4осП

Зе,(Е10+Е,)'

и =

-сг„ +2сг.

о .

- 2е„ - е„

Ео, - накопленная интенсивность деформации, Л,, Б, - радиус и ширина заготовки соответственно.

Итоговые расчетные зависимости (2) и (3) позволяют рассчитывать процесс гибки узкой полосы с учетом промежуточных стадий.

При гибке наибольшему растяжению подвергается слой материала, расположенный на выпуклой поверхности заготовки и в меньшей степени слои, расположенные внутри заготовки

Из экспериментальных работ многих авторов известно, что неравномерность распределения деформаций, вызванная различными причинами, оказывает существенное влияние на общую предельную деформацию заготовки. Проведя анализ влияния менее деформированных слоев заготовки на ее общую предельную деформацию с энергетических позиций с использованием критерия положительности добавочных нагрузок, в работе была получена зависимость для расчета предельных деформаций е, 1тр наиболее деформированного слоя'

2п + (к-2)п

£1пр ~ '

(4)

1 + 1>*-1

к=2

где к - количество рассматриваемых слоев заготовки (к>1), ак.! - отношение интенсивности деформаций в менее деформированных слоях к более деформированному слою.

Для процессов гибки моментом узкой и широкой полос уравнение (4) примет следующий вид при гибке узкой полосы с9[тр = 1,333п , (5)

а при г ибке широкой полосы е0пр = 1,155п (6)

Можно отметить, что без учета влияния менее деформированных слоев предельная окружная деформация в обоих процессах гибки была бы равна Ё0Пр = п. Таким образом, менее деформированные слои увеличивают предельную

деформацию по рассматриваемому кршерию. в первом случае гибки на 33%, а во втором - на 16%

Минимальные радиусы изгиба, согласно полученным формулам (5), (6) и выражениям для расчета окружных деформаций, рассчитываются по следующим зависимостям

п Б в

- для гибки узкой полосы кт1„ --/,,_,-* —, (7)

2|еиз3п -1) 2

Б Б

-для гиоки широкой ПОЛОСЫ Кт;п = / . ->1--, (8)

2(е -1) 2

где Ягаш - минимальный радиус гибки, Б - толщина заготовки, п - показатель деформационно! о упрочнения материала

Методики решения разработанных математических моделей и последующей упругой разгрузки, а также их про!раммная реализация, изложены в третьей главе.

В случае гибки широкой полосы исходная система уравнений решена при помощи методов численною интегрирования В работе использовались меч оды Эйлера, Адамса и Рунге-Кутта При заданных граничных условиях решалось уравнение равновесия Значения напряжений и деформаций для элементарного объема находятся последовательным решением остальных уравнений системы I раничные условия задавались в виде величин меридиональных напряжений на внешней поверхности заготовки Расчет напряженно-деформированною состояния повторялся ло совпадения с за панной точностью искомого тнччгпня окружного усилия с полученным в ходе расчета Подбор велся варьированием величиной угла гибки

В случае гибки узкой полосы уравнения (2) и (3) также решаются численными методами интегрирования Подбор ведется до выполнения условия равенства окружного усилия нулю при гибке моментом, или равенства заданному значению при гибке с растяжением (сжатием) При этом ша! итерирования

находится из условия равенства объемов злеменга до и после деформирования по следующим формулам

ёЯ = ЬАаНзДфрБ), (9)

и «1Я=ФЗРД(К,/(ФР8), (10)

где с1Нз - высота элемент до деформирования: фзР^сН^ соответствующие параметры элемента на предыдущем этапе деформирования Уравнение (9) используется при расчете процесса деформирования на первом этапе, а уравнение (10) - на последующих

Таким образом, используя уравнения (2) - (3), (9) и (10). возможно рассчитать как конечное формоизменение, так и промежуючные фазы процесса. В случае моделирования процесса гибки в условиях переменною окружною усилия расчет ведется для значения окружного усилия, заданного отдельно для каждого шага

Сравнение разработанной методики расчета процесса изгиба узкой полосы с существующими показывает, что для случая изгиба чистым моментом распределение напряжений хорошо согласуется с известными методиками, а величина изгибающего момента оказывается на 15-20% ниже

Отыскание остаточного радиуса детали ведется на основании полей напряжений и деформаций, полученных при расчете процесса гибки, в следующей последовател ьности

- осуществляется расчет центра ¡яжести сечения,

- полагая, что первоначальное значение остаточного радичса больше ради>са изгиба, рассчитывается фиктивное напряженно-деформированное состояние, которое возникает при изгибе на принятое приращение радиуса;

- для принятого значения остаточного радиуса рассчитывается усилие на торцевых поверхностях и момент внутренних сил относительно центра тяжести сечения.

- варьируя значениями остаточного ради>са и у1ла пружинения. добиваемся выполнения условий равенств нулю момента и усилия на торцевых поверхностях.

На базе созданной математической модели были разработаны программы расчета технологических параметров гибки листовых ¡агоговок в условиях дополнительного нагружения (рис. 3), обеспечивающие поиск оптимальных режимов ведения процесса

Рис. 3. Интерфейс разработанных программ.

I - базовое окно; 2 - редактор свойств материала.

3 - настройка параметров расчета: 4. 5 - представление результатов расчьпа

Разработанные модели гибки широкой и узкой полос листового материала позволяют рассчитывать процессы гибки профильных заготовок Здесь сечение заготовки представляется в виде зон. изгиб которых можно свести к сл)чаго Ш1 иба либо >зкой. либо широкой полос (рис. 4). Расчет веде!ся, полагая, что положение нейтральной поверхности является единым для всех зон сечения, а граничные условия по линиям разбиения совпадают. При этом широкие возможности \чета интенсифицирующих факторов, характерные для используемых моделей гибки

листовых заготовок, остаются справедливыми и в случае профильной заготовки.

>

I

©

J

3!

Рис. 4. Пример разбиения сечения профиля на зоны

Поскольк\ разработанные математические модели и методики расчета позволяют задавать свойства материала для каждого элементарного обьема, становится возможным вести расчет и в случае многослойной заютовки Эю бы.ю также реализовано в разработанных программах расчета.

Расчеты, проведенные с использованием разработанных программ, позволили уточнить оптимальные режимы гибки с окружным растяжением и определшь зависимости относительной остаточной кривнзны от величины сложного силового нагружеиия для лисювых и профильных заготовок (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость относительной остаточной кривизны от величины сложного силового нагружеиия: а, б - широкая полоса; в-узкая полоса; г-профиль

В частности, численный эксперимент показывает, что влияние напряжений, приложенных как'в радиальном, так и окружном направлениях при сложном дополнительном силовом нагружении в целом равноценны и лишь для стали, в

оч\'ияр изглбя тпт^рл!.ой пг> тлм ^кру^'н"^лее

эффективными (в 1..1.3 раза).

При гибке широкой полосы с растяжением в окружном направлении, принимающим в ходе процесса значение Р| и значение Р2 — в конечный момент формообразования, могу г быть достигнуты большие значения относительной остаточной кривизны по сравнению с процессом изгиб-растяжение. Наилучшие результаты наблюдались при отношении напряжений растяжения в ходе процесса к

напряжениям растяжения в конечный момент формообразования в следующем диапазоне 0,3. .0,5 - для алюминиевых сплавов; 0,4...0,5 - для титановых сплавов и 0,3. .0,4 - для сталей. Причем, при увеличении величины Р2 оптимальная величина Р1 также растет в пределах указанного диапазона Уменьшение остаточного радиуса не превышает 15%

В случае гибки узкой полосы с уменьшением растягивающего усилия Р1 имеет место уменьшение остаточного радиуса Однако для исследованного диапазона оно не превышает 2% для прямоугольного сечения и 3,5 % для квадратного Следовательно, оптимальное значение усилия Р1 целесообразно определять из условия обеспечения устойчивости заготовки в ходе процесса

При гибке широкой полосы в условиях радиального сжатия оптимальная величина напряжений сжатия в ходе процесса не превышает 30% от величины напряжений в конечный момент

Результаты экспериментальных исследований приведены в четвертой главе Эксперименты проведены с использованием установки типа ПГР-6. предназначенной для реализации процесса гибки с растяжением. Использовались гибочные оправки с радиусами 220,275 и 350 мм

При определении области применяемости разработанной математической модели проводилась серия экспериментов по схеме У-образной гибки в штампах При этом использовалось универсальное прессовое оборудование и набор матриц и пуансонов (90°) В качестве мерительного инструмента использовались, толщиномер микрометрический, штангенциркуль, линейка, микроскоп оптический и угломер оптический.

С целью оценки адекватности созданных математических моделей изгиба в условиях дополнительного нагружения и методики расчета пружинеиия была проведена серия экспериментов Эксперименты проводились на алюминиевых сплавах - В95АМ, Д16М, Д16АТ, АМц, АМгб, титановом сплаве ОТ4, меди М1 и металлополимерных композиционных материалах (МПКМ) Алор Д16/41 и МПКМ-4Н

Экспериментально моделировались гибка моментом, гибка с растяжением и гибка в условиях сложного нагружения Сравнивались также данные, полученные другими авторами

На рис 6 показано сравнение экспериментальных данных и результатов расчетов процесса гибки с растяжением многослойной полосы из материала МПКМ-4Н.

На основании проведенных работ можно сделать вывод, что математические модели процессов гибки в условиях сложного силового нагружения и методики расчета пружинения листовых и профильных заготовок (одно- и многослойных) обнаруживают в целом хорошую сходимость с экспериментальными результатами в исследованном диапазоне материалов заготовок и их типоразмеров

Рис 6 Сравнение результатов расчетов при линейно-степенной (1) и степенной (2) аппроксимации кривой упрочнения с экспериментальными данными(3) для многослойного материала

Результаты расчета предельных возможностей процесса гибки (расчеты по выражениям (7) и (8)) в сравнении с экспериментальными данными приведены в

табл. 1.

Таблица 1

1........... 1 ; № Гп/п 1 Материал заготовки, толщина, мм Показатель деформационного упрочнения,п Относительный минимальный радиус, Япив/Б

Узкая полоса Широкая полоса

1 Титановый сплав ВТ 14, лист 0,9 мм 0,08 3,94 (3.33) 4,67 (5,28)

2 Алюминиевый сплав В95АМ, лист 0,95 мм 0,18 1.34(1,05*) | 1,66 (1,84*) !

3 Алюминиевый сплав Д16АМ, лист 1,74 мм 0,24 1 0,83(0,54*) | 1,07(1,44*)

4 Медь М1, лист 1,0 мм 0,38 0,26(0,5**) | 0,41(0,5**)

Примечание ( ) - эксперимент, осредненные значения; * - образование "апельсиновой корки" на внешней поверхности, ** - без разрушения

Из табл. 1 видно, что предлагаемый метод расчета предельных деформаций с учетом влияния менее деформированных слоев дает согласующиеся с опытом результаты.

17

ВЫВОДЫ

1. Обзор известных методик расчета процессов гибки листовых и профильных заготовок показал ограниченную область их практического применения при гибке в условиях сложного силового нагружения и при гибке многослойных заготовок

2 Разработаны • более полные и точные модели и методики расчета технологических параметров процессов гибки в условиях сложного силового нагружения листовых и профильных заготовок, позволяющие установить неизвестные ранее закономерности.

- учитывать изменение условий деформирования (нестационарность нагрузки) в ходе процесса,

- определять оптимальные режимы гибки с окружным растяжением и под действием нескольких нагрузок;

- рассчитывать технологические параметры гибки многослойных заготовок, состоящих из различных материалов, включая металлополимерные композиции, .

- вести расчет предельных возможностей процесса гибки, учитывая менее деформированные слои;

- во всех случаях рассчитывать пружинение заготовки после снятия нагрузки.

3. На базе разработанных математических моделей созданы алгоритмы решения и программы, позволяющие автоматизировать расчеты технологических параметров в условиях сложного силового нагружения. Их использование (в результате обоснованного назначения величин дополнительного нагружения) позволяет сократить количество технологических переходов и уменьшить неравномерность геометрии детали

4. В ходе экспериментальных исследований установлена хорошая сходимость разработанных математических моделей и методик расчета с практикой Погрешность в расчете пружинения не превышает, как правило, 20 %

5 В конечном итоге сосланные математические модели ц методик-и расчета технологических параметров процессов гибки приводят к достижению поставленной цели — повышению качества получаемых деталей за счет уменьшения упругой отдачи при одновременном сокращении сроков технологической подготовки производства.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах'

1. Жуков М Б Программа расчета гибки и пружинения «широкой» полосы// XXV Гагаринские чтения' Тез докл Международной молодежной научной конф.6-10 апреля 1999 г МГАТУ — М. «ЛАТМЭС», 1999 т. 2 , — С.832.

2. Жуков М.Б Математическая модель процесса гибки "узкой" полосы многослойных заготовок//Современные проблемы аэрокосмической науки и техники. Тез. докл Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов 23 - 26 мая 2000 г. Жуковский - Москва Авиационный печатный двор ЦАГИ, 2000,— С 371-372.

3. Жуков М Б Разработка программы расчета процесса гибки и пружинения "широкой" полосы многослойных заготовок// XXVI Гагаринские чтения' Тез докл Международной молодежной научной конференции. Апрель 2000 г. МГАТУ — М «ЛАТМЭС», 2000 т. 2 , — С.5-6.

4 Жуков М Б Моделирование процессов гибки с дополнительным нагружением // XXVII Гагаринские чтения' Тез докл Международной молодежной научной конф Апрель 2001 г. МГАТУ — М.: Том 3 , «ЛАТМЭС» 2001—С 18-19.

5. Ершов В И., Чумадин А С, Жуков М.Б О проблеме упругой разгрузки при листовой штамповке// Научные труды МАТИ им К.Э Циолковского М.' Изд-во "ЛАТМЭС",2001 Вып 4(76)—С 327-331

6 Жуков МБ. Математическое моделирование процесса гибки ">зкой" полосы листового материала// XXVIII Гагаринские чтения. Тез докл. Международной молодежной научной конференции Апрель 2002 г МАТИ им К.Э. Циолковского — М.. 2001 т. 3 —С.63.

7 Жуков МБ К вопросу решения задач осесимметричного деформирования листовой штамповки// Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков. Тез докл Всероссийской научно-гехнической конференции 13-15 мая 2002 г.—Рыбинск РГАТА, 2002 Ч 2 —С 15-16.

8 Жуков М Ь Экспериментальное исследование процесса гибки листового материала в условиях дополнительного нагружения// Новые материалы и технологии НМТ-2002' Тез докл. Всероссийской научно-технической конференции Москва,22-23 октября 2002 г — М : ИТЦ "МАТИ" - РГТУ им КЭ Циолковского.2002т 2—С 19-20

9 Разработка и исследование перспективных ресурсосберегающих технологий Отчет о НИР(заключ )/"МА'ГИ"- РГТУ им К Э Циолковского, Руковод работы А.С Чумадин -- С-12, № гр 01200010470. Инв.№ 02200103381 — М ВНТИЦ, 2001 Исполн Ершов В И, Каратаева Н Ю . Жуков М.Б и др

10. Разработка методов и инструментальных средств моделирования физико-механических процессов производства летательных аппаратов. Отчет о НИР(заключ.)/"МАТИ"- РГТУ им К Э. Циолковского, Руковод работы А С. Чумадин —1540Б, № гр 01200011223; Инв № 02200103383 — М , 2001 Исполн Самсонов О.С., Ершов В.И, Жуков МБ и др.

11. Чумадин A.C., Ершов В.И., Жуков М Б Влияние менее деформированных слоев заготовки на ее общую предельную деформацию// Научные труды МАТИ им К.Э. Циолковского,— М Изд-во "ЛАТМЭС',2003 Вып. 6(78) —С 143-145

12. Жуков М.Б Математическое моделирование процесса гибки и пружинения "широкой" полосы в условиях дополнительного нагружения // "Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства". Сборник статей всероссийской научно-практической конференции, Оренбург 23-25 апреля. Оренбург. РИК ГОУ ОГУ, 2003 С 146-151

13 Жуков М Б. Математическое моделирование процесса гибки и пружинения 'узкой' полосы в условиях дополнительного нагружения // Информационные технологии в проектировании и производстве М. "ВИМИ". 2003. №2. С. 59-63

14 Гибка с растяжением листовых и профильных заготовок / Сост.: Ершов В. И, Чумадин А С , Жуков МБ — М . «МАТИ» - РГТУ им К Э. Циолковского, 2003 — 32 с.

15.Жуков МБ Исследование процессов изготовления деталей летательных аппаратов гибкой листовых и профильных заготовок с дополнительным нагружением // Проблемы создания перспективной авиационной техники Сборник статей научно-исследовательских, проектных и технологических работ студентов, молодых ученых и инженеров Под ред Ю. Ю. Комарова, В А Мхитаряна -М. Изд-во МАИ, 2003. С 2Г "

Подписано в печать 08.09.2003 г Заказ № {9Ь Объем 1,0 п л. Тираж 100 экз Типография ИЦ "МАТИ"- Российского государственного технологического университета им К. Э Циолковского 109240, Москва, Берниковская наб , 14

У.

с

i

í

1

I

*

«

«15 0 5 0

cloo 5 ' Д

15-052

Введение.

Глава 1. Обзор способов и методов расчета технологических параметров процессов гибки.

1.1. Обзор способов изготовления деталей летательных аппаратов гибкой.

1.2 Обзор методов расчета процессов гибки.

1.2.1. Изгиб широкой полосы.

1.2.1.1. Изгиб "чистым" моментом.

1.2.1.2. Изгиб в условиях дополнительного силового нагружения.

1.2.2. Изгиб узкой полосы прямоугольного сечения.

1.2.1.1. Изгиб "чистым" моментом.

1.2.2.2. Изгиб узкой полосы в условиях дополнительного силового нагружения.

1.2.3. Обзор методик расчета пружинения широкой полосы.

1.2.4. Обзор методик расчета пружинения узкой полосы.;.

1.3. Выводы.

1.4. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Теоретический анализ процессов гибки листовых и профильных заготовок.

2.1. Моделирование процесса гибки широкой полосы.

2.1.1. Математическая модель процесса гибки с растяжением.

2.1.2. Математическая модель процесса гибки в условиях дополнительного силового нагружения.

2.2. Моделирование процесса гибки узкой полосы.

2.2.1. Разработка традиционной математической модели гибки узкой полосы.

2.2.2. Разработка новой математической модели гибки узкой полосы.

2.3. Моделирование предельных возможностей процесса гибки.

2.4. Выводы.

Глава 3. Создание методик расчета на основе разработанных математических моделей и их программная реализация.

3.1. Расчет процесса гибки широкой полосы и последующего пружинения.

3.2. Расчет процесса гибки узкой полосы.

3.3. Методика расчета пружинения узкой полосы.

3.4. Математическая модель процесса гибки профильной заготовки.

3.5. Методика расчета процесса гибки многослойной заготовки.

3.6. Компьютерное моделирование процесса гибки и пружинения листовых и профильных заготовок.

3.7. Рекомендации по практическому применению результатов исследования.

3.8. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования процессов гибки.

4.1.Методика проведения экспериментов.

4.2.Изгиб в условиях дополнительного нагружения.

4.2.1.Изгиб с растяжением широкой полосы.

4.2.2.Изгиб с растяжением узкой полосы.

4.2.3.Изгиб профильных заготовок.

4.2.4.Изгиб с растяжением многослойных заготовок.

4.3.Гибка в штампах широкой полосы.

4.4.Исследование предельных возможностей процесса гибки.

4.5.Вывод ы.

Процессы гибки широко применяются при изготовлении самых разнообразных деталей летательных аппаратов: обшивок, шпангоутов, стрингеров, элементов гидро-и пневмосистем и др. Одним из способов достижения необходимой точности деталей при гибке является ведение процесса в условиях дополнительного силового нагружения. Обычно это гибка с окружным растяжением и сжатием. Однако возможности дополнительного силового нагружения в полной мере не использованы, так как это зависит от конкретной схемы процесса, вида и истории нагружения, что требует проведения дополнительных исследований. Кроме этого, величины дополнительного нагружения зависят от исходной заготовки и получаемой детали.

Теоретический анализ процесса гибки проводился как отечественными, так и зарубежными учеными: Губкиным С.И., Горбуновым М.Н., Ершовым В.И., Закировым И.М., Звороно Б.П., Исаченковым Е.И., Лысовым М.И., Малининым Н.Н., Матвеевым А.Д., Мошниным Е.Н., Поповым Е.И., Смирновым-Аляевым Т.А., Томленовым А.Д. и многими другими. В результате этих исследований были выявлены зависимости между основными факторами и предложены методики расчета технологических параметров процесса. Однако предложенные методики ограничены решением конкретного процесса, учитывают ограниченное число факторов силовой интенсификации и не дают возможность вести расчет нестационарно протекающих процессов.

Кроме того, увеличение номенклатуры деталей и появление качественно новых материалов, применяемых в конструкциях летательных аппаратов, требуют разработки новых моделей расчета. Например, возникает необходимость рассчитывать технологические параметры процесса гибки многослойных листовых и профильных заготовок в условиях сложного силового нагружения.

Такое разнообразие задач и многовариантность силового нагружения требуют поиска оптимальных режимов ведения процесса в условиях силовой интенсификации, что при использовании известных зависимостей и методик расчета сопряжено с проведением дополнительных теоретических и экспериментальных исследований в каждой конкретной задаче. Все это диктует необходимость разработки более общих и полных моделей, совершенствование методик, уточнения расчетных случаев и использования рационального подхода к моделированию процессов гибки.

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

Объектом исследования являются процессы гибки листовых и профильных заготовок в условиях дополнительного силового нагружения и неразрывно связанное с ним последующее пружинение.

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

Целью исследования является повышение качества деталей, получаемых гибкой, путем разработки оптимальных режимов дополнительного силового нагружения.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка новых математических моделей и методик расчета напряженно-деформированного состояния и технологических параметров процессов гибки одно- и многослойных листовых и профильных заготовок в условиях дополнительного силового нагружения (в радиальном и окружном направлениях);

- создание новой методики расчета предельных возможностей процесса гибки;

- создание методик расчета напряженно-деформированного состояния и параметров пружинения листовых и профильных заготовок;

- определение оптимальных режимов ведения процесса на основе созданных математических моделей с использованием программ расчета технологических параметров, автоматизирующих расчеты;

- экспериментальная проверка сходимости созданных математических моделей, методик и разработанных программ расчета, а также оценка их адекватности при гибке переменным моментом (в штампах).

Методологические основы. Теоретические исследования при разработке математических моделей процесса гибки базируются на основных положениях теории пластичности и методах исследования процессов пластического деформирования листовых и профильных заготовок, в частности, на методике решения задач осесимметричного деформирования. Теоретические исследования пружинения велись на основе теоремы об упругой разгрузке Ильюшина А.А.

На защиту выносится:

- математические модели процессов гибки узкой и широкой полосы в условиях сложного силового нагружения, а также методика расчета упругой разгрузки;

- алгоритмы расчета процессов гибки листовых и профильных заготовок в условиях сложного силового нагружения, изменяющегося в ходе процесса;

- программы расчета технологических параметров процессов гибки и пружинения листовых и профильных заготовок, разработанные на базе созданных математических моделей и методик расчета.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны новые математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния и технологических параметров при гибке одно- и многослойных листовых и профильных заготовок в условиях сложного силового нагружения;

- определены оптимальные режимы гибки с окружным растяжением;

- получены неизвестные ранее закономерности гибки под действием нескольких нагрузок.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны программы расчета технологических параметров процесса, с помощью которых определены оптимальные режимы гибки под действием нескольких нагрузок, позволяющие обеспечивать требуемую точность при минимальных деформациях заготовки, в результате чего повышается качество и снижается трудоемкость при изготовлении деталей летательного аппарата гибкой.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных молодежных научных конференциях XXV-XXIX "Гагаринские чтения", проводившихся в МАТИ в 1999-2003 годах, международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Современные проблемы аэрокосмической науки и техники" в 2000 г., и на первой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности", проводившейся "ОКБ Сухого" в 2002 году в г. Москве.

Публикации. Содержание работы изложено в 5 статьях, 7 тезисах докладов к научно-практическим конференциям, 2 отчетах по НИР и в методических указаниях к лабораторным работам.

Внедрение результатов исследования. Разработанные математические модели и программы расчета были внедрены на ОАО КнААПО им. Ю. А. Гагарина и в учебный процесс в "МАТИ"-РГТУ им. К. Э. Циолковского на кафедре ТПЛА.

Программа расчета технологических параметров гибки узкой полосы в условиях дополнительного нагружения внесена в Реестр программ для ЭВМ (свидетельство № 2003611036).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографии. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 31 таблицу, список из 44 библиографических источников и приложения.

1. Обзор известных методик расчета процессов гибки листовых и профильных Ф заготовок показал ограниченную область их практического применения при гибке в условиях сложного силового нагружения и при гибке многослойных заготовок.2. Разработаны более полные и точные модели и методики расчета технологических параметров процессов гибки в условиях сложного силового нагружения листовых и профильных заготовок, позволяющие установить неизвестные ранее закономерности: • учитывать изменение условий деформирования (нестационарность нагрузки) в ходе процесса; • определять оптимальные режимы гибки с окружным растяжением и под действием нескольких нагрузок; • рассчитывать технологические параметры гибки многослойных заготовок, состоящих из различных материалов, включая металлополимерные композиции; , - вести расчет предельных возможностей процесса гибки, учитывая менее Ш деформированные слои; • во всех случаях рассчитывать пружинение заготовки после снятия нагрузки.3. На базе разработанных математических моделей созданы алгоритмы решения и программы, позволяющие автоматизировать расчеты технологических параметров в условиях сложного силового нагружения. Их использование (в результате обоснованного назначения величин дополнительного нагружения) позволяет I сократить количество технологических переходов и уменьшить неравномерность I геометрии детали.4. В ходе экспериментальных исследований установлена хорошая сходимость ; « разработанных математических моделей и методик расчета с практикой.Погрешность в расчете пружинения не превышает, как правило, 20 %.5. В конечном итоге созданные математические модели и методики расчета технологических параметров процессов гибки приводят к достижению •) поставленной цели — повышению качества получаемых деталей за счет уменьшения упругой отдачи при одновременном сокращении сроков технологической подготовки производства.

1. Штамповка, сварка, пайка и термообработка титана и его сплавов в авиастроении / Коллектив авторов. - М: Машиностроение, 1997. - 600 с.

2. Вдовин СИ., Семин СВ. Упругопластический изгиб тонкого листа поперечной силой "Кузнечно-штамповочное производство", 1995, № 11 5-71

3. Ершов В.И., Попов СВ., Чумадин А.С и др. Листовая штамповка: Расчет технологических параметров,/Справочник М.: Издательство МАИ, 1999- 519 стр.

4. Лысов М. И., Закиров И. М. Пластическое формообразование тонкостенных деталей авиатехники, М.: Машиностроение 1983, С 176.

5. Воронцов А.Л., Сопоставление применения метода конечных элементов и аналитических методов решения задач обработки давлением//Вестник машиностроения—^2003.—^№ 1—С67-71.

6. Ершов В. И., Чумадин А. Математическое моделирование осесимметричного деформирования листовой штамповки. М.: изд. МФТИ, 1988, С 47.

7. Звороно В.П. Чистый пластический изгиб и выпрямление широкой полосы //Кузнечно-штамповочное производство. 1966. № 1.

8. Лысов М.И. Теория и расчет процессов изготовления деталей методами гибки. — М.: Машиностроение: 1966, С 236. Ю.Попов Е.А, Основы теории листовой штамповки: Учеб. пособие для вузов. — М.: Машиностроение, 1977.

9. Зубцов М.Е. Листовая штамповка: Учебник для студентов вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1980, С 432.

10. Хилл Р. Математическая теория пластичности. — М.: Гостехтеориздат, 1956.

11. НШ, R., The Mathematical Theory of Plasticity, Oxford University Press, London 1950, pp. 287-292.

12. Ковка и штамповка. Под ред. Матвеева А. Д. Т.4 Листовая штамповка. М.: Машиностроение 1987, 544. IS.Eason G. "The elastic-plastic bending of a compressible сшлге<1 bar" Appl. sci. Res., Section A, Vol. 9, 1960, p. 53.

13. Shaffer, B. W. and R. N. House Jr., J. Appl. Mech., Trans. Amer. Soc. Mech Engrs 22 (1955) 305.

14. Shaffer, B. W., and R. N. House Jr. J. Aero. Sci. 24 (1957) 307.

15. Shaffer, B. W. and R N. House Jr. J. Appl. Mech., Trans. Amer. Soc. Mech. Engrs 21 (1957) 447.

16. Ершов В.И. К расчету процессов формоизменения под действием нескольких нагрузок//ИВУЗ. Авиационная техника. 1980. К» 2. 23.3вороно Б.П. Пластический изгиб с растяжением широкой полосы / /Кузнечно-штамповочное производство. 1988. № 5.

17. Мошнин Е.Н. Гибка, обтяжка и правка на прессах. М.:Машгиз, 1959.

18. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов. М., "Машиностроение", 1981,224 с.

19. Ершов В.И., Хронусов B.C. Гибка листового материала со сжатием в радиальном направлении//ИВУЗ. Авиационная техника. 1974. Xs 1.

20. Амензаде Ю. А, Теория упругости, М.: Высшая школа, 1976, 284.

21. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. М.: Машиностроение 1979, 567с.

22. Eason G. "The elastic-plastic bending of curved bar by end couples in plane stress" Quart/ Joum/ Mech/ and Applied Math, Vol. ХП1, Pt. 3, 1960.

23. Shepherd W. M., Gaydon F. A., J. Mech. Phys. Solids 5 (1957), 296 p. •^ 31. Зубцов M.E. Листовая штамповка. — М.—Л.: Машиностроение, 1958.

24. Биргер И. А. Остаточные напряжения М.: Машгиз 1963, 231.'

25. Алексеев Ю.Н. Вопросы пластического течения металлов.— Харьков: Изд. ХГУ, т I