автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование процессов обжима и раздачи трубных заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов

1034705 1 1

На правах рукописи

Шпорт Роман Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЖИМА И РАЗДАЧИ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2'чтг

Москва 2009

003470511

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

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Макаров К.А.

доктор технических наук, профессор Феоктистов С.И.

кандидат технических наук, доцент Филимонов A.C.

ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение имени Ю.А. Гагарина»

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

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

Автореферат разослан « Об » ^-¿¿¿^х 2009 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского, ученому секретарю диссертационного совета Д212. 110.02.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.110.02 доктор технических наук, доцент

J**f

Силуянова М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей, стоящей перед авиа- и ракетостроением, является интенсификация существующих, разработка и освоение новых технологических процессов, обеспечивающих повышение производительности труда, качества изделий и эффективности производства. Ведущее место в этом принадлежит процессам листовой штамповки, методами которой изготавливается до 75 - 80 % деталей планера летательного аппарата. При этом актуальной проблемой заготовительно-штамповочного производства является изготовление высокоресурсных элементов трубопроводов, от которых во многом зависит жизнедеятельность и надежность в эксплуатации, а также ресурс летательных аппаратов в целом.

В трубопроводах современных летательных аппаратах широкое применение нашли тонкостенные конструкции, которые получают обжимом и раздачей из трубных заготовок.

Комплексное решение задачи сокращения доли ручных и доводочных работ, повышения коэффициента использования материала, улучшения условий труда при повышении требований к точности и качеству изготавливаемых деталей требует разработки перспективных вариантов процессов и штамповой оснастки, совершенствования существующих методов расчета напряжений и деформаций, возникающих при формоизменении заготовки. Сказанное подтверждает актуальность представленной диссертационной работы, в которой приведены результаты дальнейшего исследования способов формоизменения трубных заготовок - процессов обжима и раздачи.

Работа является одним из направлений в комплексе исследований, осуществляемых сотрудниками кафедры «Технология производства летательных аппаратов» МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского.

Целью работы является сокращение сроков технологической подготовки производства и трудоемкости изготовления деталей летательных аппаратов, получаемых неосесимметричными обжимом и раздачей трубных заготовок.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана новая математическая модель и метод расчета напряженно-деформированного состояния при обжиме и раздаче трубных заготовок в условиях неосесимметричного деформирования;

- разработана методика для обоснования выбора схемы деформирования и определения оптимальных технологических параметров исследуемых процессов;

- предложены эффективные пути оптимизации форм и размеров штам-повой оснастки.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработаны новые способы деформирования заготовок и рекомендации по разработке перспективной штамповой оснастки, обеспечивающие сокращение сроков технологической подготовки производства и трудоемкости изготовления деталей;

разработаны программы расчета на ЭВМ напряженно-деформированного состояния заготовок, которые могут быть использованы для обоснования выбора схемы процесса обжима или раздачи, расчета технологических параметров процесса и устройств для его реализации;

- предложены упрощенные формулы для расчета основных технологических параметров процессов обжима и раздачи.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения», XXXII академических чтениях по космонавтике, Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» в 2008 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе 2 статьях в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и 2-х приложений. Полный объем работы составляет 116 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и научная новизна диссертационной работы, приведена ее общая характеристика.

В первой главе рассмотрено современное состояние исследуемого вопроса.

Типовые детали, получаемые методом обжима и раздачи трубных заготовок, приведены на рис. 1. В табл. 1 представлены детали самолета 88.1-100, при изготовлении которых используются операции обжима и раздачи.

Проведенный анализ способов получения тонкостенных оболочек летательных аппаратов методами обжима и раздачи трубчатых и конических заготовок показал, что наиболее широкое распространение в производстве конусообразных изделий (обтекателей, переходников, деталей внутреннего набора) получили процессы обжима и раздачи трубных заготовок с использованием жестких инструментов (матриц и пуансонов). При изготовлении корпусных деталей, сильфонов, компенсаторов - процессы раздачи средней части труб по жесткой матрице.

Рис. 1. Типовые детали, получаемые обжимом и раздачей трубных заготовок: а, б, в- переходники; г - корпус; д - тяга управления; е - емкость; ж - шар-баллон; з, и - обтекатели

№

Таблица 1.

Типовые детали самолета 881-100, получаемые с использованием _операций обжима и раздачи

Наименование детали

Переходник системы расхода воздуха самолета

Датчик Вентуре системы расхода воздуха самолета

Полупатрубок системы расхода воздуха самолета

Полупатрубок системы отбора воздуха от двигателя в систему расхода воздуха самолета

Труба системы отбора воздуха от двигателя в систему расхода воздуха самолета

Эскиз

Материал

12Х18Н10Т

АК-4-1

12Х18Н10Т

12Х18Н10Т

АМгбМ, АМгЗМ

Существующие процессы изготовления осесимметричных и неосесимет-ричных деталей обжимом и раздачей трубных заготовок можно разделить на четыре класса.

К первому классу процессов относятся процессы обжима и раздачи трубной заготовки жестким инструментом (матрицей или пуансоном), процессы обжима и раздачи трубных заготовок секционным пуансоном и процессы обжима и раздачи труб ротационными методами.

Ко второму классу принадлежат процессы магнитно-импульсной обработки металлов, где носителем формы является жесткий пуансон, а деформирующее усилие передается со стороны нежесткого инструмента, эластичной матрицы или электромагнитного поля.

Третий класс представлен процессом раздачи средней части трубы передающей давление средой по жесткой матрице, который заключается в деформировании трубчатой заготовки внутренним давлением жидкости, газа

или эластичной среды и процессом раздачи конических заготовок по жесткой матрице.

Четвертый класс включает в себя процессы деформирования трубчатых заготовок с противодавлением, заключающиеся в создании дополнительного гидростатического нагружения со стороны наружной поверхности заготовки давлением жидкости.

Из рассмотренных традиционных способов обжима и раздачи трубных заготовок наибольшее распространение в производстве тонкостенных деталей летательных аппаратов получили процессы деформирования с использованием жестких матрицы или пуансона.

Основным недостатком известных процессов является интенсивное утонение материала в зоне максимального диаметра получаемой детали, что приводит к локализации деформации и преждевременному разрушению заготовки, а также вызывает значительную разнотолщинность по образующей получаемой оболочки. Это увеличивает избыточную массу детали и требует дополнительных доводочных операций. Способы характеризуются высокой трудоемкостью изготовления.

В теоретическом плане исследованию операций обжима и раздачи посвящены работы таких ученых, как М.В. Сторожев, Е.А. Попов, М.Н. Горбунов, Г.А. Смирнов-Аляев, H.H. Малинин, A.A. Ильюшин, Е.И. Исаченков, А.Д. Матвеев, В.И. Ершов, О.В. Попов, В.И. Глазков, A.C. Чумадин и других.

В этих работах определено напряженно-деформированное состояние, исследовано влияние дифференцированного нагрева и осевого подпора на величину меридиональных и окружных напряжений и определен оптимальный закон изменения напряжений текучести материла при получении равнотол-щинных деталей для операций обжима и раздачи.

Известные решения применимы только для процессов осесимметрично-го деформирования.

Одним из методов, с помощью которого может быть проанализирован сложный неосесимметричный процесс, является вариационный метод расчета,

в основе которого лежит принцип минимума полной энергии формообразования. Однако до настоящего времени сложные процессы неосесимметричного обжима и раздачи не исследованы достаточно полно.

Исходя из сказанного выше, были определены задачи исследования:

1. Построение уточненной математической модели и метода расчета напряженно-деформированного состояния при обжиме и раздаче трубных заготовок в условиях неосесимметричного деформирования с использованием вариационного метода расчета.

2. Разработка программного обеспечения для ЭВМ на базе полученной математической модели для обоснования выбора схемы процесса обжима или раздачи, расчета оптимальных технологических параметров и устройств, обеспечивающих получение деталей необходимого качества с минимальной избыточной массой.

3. Исследование новых направлений интенсификации процессов обжима и раздачи и перспективных вариантов конструкции штамповой оснастки для реализации разработанных процессов в промышленности.

4. Экспериментальная проверка полученных теоретических зависимостей на натурных образцах, подтверждение принятых допущений и предположений. Уточнение влияния механических свойств материала на распределение удлинений заготовки.

Во второй главе даны теоретические решения по определению напряженно-деформированного состояния заготовки при обжиме и раздаче в условиях осевой симметрии очага деформации с использованием вариационных методов теории пластичности.

Математические расчеты процесса обжима осесимметрической трубной заготовки в жесткой матрице выполнены по схеме на рис. 2. Деформируемый материал заготовки идеально пластичный. Внешнее трение отсутствует. Изменение длины заготовки определяется зависимостью:

и-_ = Ак+аг, (1)

где иг - перемещение поперечного сечения, располагающегося на расстоянии г от начала очага деформации; АЬ - перемещение торца трубы (перемещение ползуна пресса); а - неизвестный коэффициент, подлежащий определению.

Рис. 2. Схема обжима трубной заготовки в жесткой конической матрице

В процессе обжима трубная заготовка уменьшается в диаметре, увеличивается толщина ее стенки и изменяется длина в зависимости от величины и знака коэффициента а.

Определим размеры заготовки после деформирования. Решим задачу в линейной постановке с использованием энергетических принципов механики сплошной среды.

При решении задачи используем условие несжимаемости в цилиндрических координатах:

р 9 др р дер дг

Перемещение материальных частиц в окружном направлении отсутствует:

^ = 0. (3)

дер

Учитывая осевое перемещение поперечных сечений, условие несжимаемости принимает вид:

В результате получаем:

ди„ и„

+ + а = 0. (4)

dp р

ар с, и, =—!- + -L . ' 2 р

Определив постоянную интегрирования из граничных условий: z = 0 и p = R0 Mp=R = -¿Shiga, где а - угол конусности матрицы, получаем:

а

ио =—р р 2

Л

К0 |

кР'

Тогда приращения деформаций:

<Ч> a ,Rl Л,. R.

е =_£. = -- (-i- +1) + Д/jigor-! "dp 2 рг р

- Ahtga— . (5)

Р

ег=а.

С учетом условия несжимаемости выражение для интенсивности приращений деформаций принимает вид:

Т = 2^£;+£р£7+£> . (7)

Работа внутренних сил равна:

, (8)

V

где V- объем заготовки в очаге деформации.

Подставив неравенство Буняковского, заменив знак (<) на знак приближенного равенства (~), и проинтегрировав получим:

[tga\r0-htga r0 R0 -htga R0) нЗ a2nh{R20-r02-h(R0-r0)tga)fs-V°-s.

Условие минимума энергии формоизменения:

ЭАт

да

— = 0.

Следовательно:

2R¡ 1 1 11"

(R0-htga) (r0-htga) г0

1

-- + —) + Зл[л02 - г02 - й(Л0 - г0>£Ог]

(П)

Г^ог 0(Ra-htga) r0(r0-htga) г„ Ra Из полученных выражений видно, что и работа внешних сил, и работа внутренних сил - линейные функции ДА .

Полученные зависимости позволяют определить изменение толщины и длины заготовки в очаге деформации. Так, усилие обжима:

Р = т.

\tgcc

1

1

1

1

+ 3 а2лЬ (яо2 - г02 - /,(/?„ - г0 )1§а)}0'5 -У". Здесь V = /г[(й02 -■^К~Л2£аг(Д„ - г0)].

(а2Л04 -4йД03Д%£г+4Я02Д/; V«)*

(12)

Рис. 3. Зависимость коэффициента а0/ЛИ от коэффициента обжима К0: 1- к/(2Яц)=0,2; 2 - И/(2КВ)=0,5; 3 - Н/(2К0)= 1,0; 4 - И/(2Я0)= 1,5 (труба 050x48)

Математические расчеты процесс раздачи осесимметрической трубной заготовки по жесткому коническому пуансону выполнены по схеме на рис. 4.

Основные допущения и методика расчета аналогичны рассмотренному процессу осесимметричного обжима.

Рис. 4. Схема процесса осесимметричной раздачи трубы на жестком пуансоне

В результате расчетов получили формулу для расчета коэффициента а: 1111

Irl

а/Ah■■

--+ -

R0 + htga R0 r0 + htga r0

tga

1

1

---+ -

1

J_

R0+htga Ä0 r0 + htga r0 0 0,5 1,0

+ 3tga[r„2-R20-h{r0-R0tga)]

(13)

2,0 KP

apMh

Рис. 5. Зависимость относительного коэффициента ap/Ah от коэффициента раздачи при различном размере h (труба 05ОХ48): / - h/D = 1,5; 2 - h/D = 1,0; 3-h/D = 0,5; 4-h/D = 0,2

В третьей главе дано решение по определению напряженно-деформированного состояния заготовки при обжиме и раздаче в неосесиммет-ричном очаге деформации.

Математические расчеты неосесимметричного обжима трубы по жесткой матрице выполнены в соответствии со схемой рис. 6. Кольцевые элементы заготовки радиусом г в очаге деформации будут смещаться относительно плоскости симметрии заготовки с уменьшением этого радиуса до величины Я.

?—>

у'В.п

2

Т

Рис. 6. Схема изменения формы

трубы при неосесимметричном обжиме

В результате неосесимметричного обжима реализуются следующие геометрические соотношения:

/? = /?„ -z■tga■cos(p; г-гй-г-1§а-со%(р\ (14)

и г =Д й + а0 - 2-со яр, где а0 - коэффициент изменения длины при <р= 0. Условие несжимаемости имеет вид:

др р р д<р дг

э иг

дг

ъиф

Так как при (р= 0 и <р= л/2; Ц> = О , то —-- = 0.

д<р

Тогда условие несжимаемости принимает вид:

др р р д(р дг ар р Решив уравнение и определив постоянную интегрирования, получаем приращения деформаций:

а 0

эр 2

£1

2 о2

+ Д h■tga~ Р

С05(р\

-А

Р

со 5<р\

д и2

ег = —± = а0 со дг

1 Э и, Ы - 1 / . х

7рг дг др '

(17)

ГР,

диа и, . 1 ьи. 1 ьи.

( /?2 Л

-Ар |

у"

- ДА • ^аг

у

(- БШ (р).

^^ Эр р р д<р р д(р

По разработанной методике определяем интенсивность приращений деформаций сдвига и мощность внутренних сил:

1>ч

Авн.с=тЛ\2А + -

( 2 о

а2п— + ЕИ

ср V

о 2 _ 2

+ -К0'5.

эл.,

Из условия

имеем:

Л2 -г2 Л

0,5nhtftga • ДА —^ + 0,5л" In ■— ДА • А ■ tga ■ R

Р2 _и2 г>4

яЛ ——f- ■ — + 0,5 жА 2

1п-

-Зя-/;(/?2 -г2)

Рис. 7. Зависимость коэффициента а0 от угла конусности обжатого участка а (труба 05О><48): 1 -К0= 0,9; 2 - Ко = 0,7; 3 - К0= 0,5; 4-К0 = 0,3

Математические расчеты неосесшшетричпой раздачи труб по жесткому пуансону выполнены в соответствии со схемой на рис. 8.

Радиус внутренней поверхности равен г = r0 + z ■ tga, ■ cos ср. Радиус внешней поверхности./? = R0 + z ■ tga • cos (p. Перемещение в осевом направлении п перечных сечений равняется Uz =&h + ap - z-cos^, где ар - коэффициент изменения длины при (р= 0.

Вид А

Рис. 8. Схема изменения формы заготовки при неосесимметричной раздаче

Условие несжимаемости имеет вид

дир ир 1 ЭС/ ди,

^ dp р р д(р dz

где ег=ар-cos(р.

Так же как при обжиме = 0 при (р= 0 (из-за симметрии относительно

очага деформации) и Uv = 0 при <р=~, примем, что —— = 0 и Up = 0 то есть

2 д(р

примем, что материальные частицы не смещаются в угловом направлении, а перемещаются только в радиальном направлении. Выполнив необходимые расчеты, получаем:

(R2 -г2

л Vn ' п

СР___ СР -¡,,3

Rm

ап =■

R2 ■г2 0

Ч ер ср

• 3i-g ■ tga + 0,5 In —1— • г0 • tga

■Ah

К

■1,5г0 +0,51n^(l,5A2-r2)+3^h{Rl-г2) '

(20)

Рис. 9. Зависимость коэффициента ар от угла конусности пуансона (труба 0100x98): 1 -К„ =2,0; 2-Кр=\,5; 3-КР= 1,3

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных с целью:

- подтверждения принятых допущений и предположений;

- уточнения влияния механических свойств материала на распределение

удлинений;

- определения силовых параметров исследуемых процессов;

- сопоставления результатов теоретических расчетов с экспериментом.

Экспериментальные исследования осесимметричного и неосесимметрич-

ного обжима и раздачи проводились с использованием гидравлической испытательной машины «Olsen» с максимальным усилием 30,0 т. Нагрев штамповой оснастки осуществлялся с помощью трубчатых электронагревателей. Нагрев заготовки происходил от штамповой оснастки. Температура нагрева контролировалась хромель-алюмеливыми термопарами с помощью потенциометра КСП-4. В качестве смазочных материалов для рабочих поверхностей заготовки и оснастки использовалось машинное масло и коллоидно-графитовый препарат при штамповке в холодном состоянии и с нагревом соответственно.

Эксперименты проводились на трубных заготовках 0 26 - 50 мм с толщиной стенки 1,0-1,5 мм. Использовались заготовки из алюминиевых сплавов АМгЗМ, АМгбМ и Д16Т. Перед деформированием заготовки размечались в окружном и осевом направлении с получением сетки с размерами ячеек 3-5 мм. После формоизменения изменение сетки размеров измерялось различными методами: штангенциркулем, индикатором часового типа, с помощью инструментального микроскопа или координатографа «Шврейог-бО».

В качестве технологической оснастки использовался жесткий инструмент: различные пуансоны для раздачи и матрицы для обжима.

В ряде случаев для моделирования неосесимметричных процессов использовались симметричные пуансоны и матрицы, наклоненные от вертикальной оси в специальном приспособлении (рис. 10).

Рис. 10. Приспособление для наклона симметричных пуансонов и матриц

Для подтверждения правильности выбора схем деформирования были проведены предварительные экспериментальные исследования. В данных экспериментах заготовка не нагревалась. Использовались трубные заготовки 0 30x1,5 мм из Д16Т. Схема процессов приведена на рис. 11.

а) б) в)

Рис. 11. Схема экспериментов при : а)- раздаче; б)- обжиме; в)- неосесимметричной раздаче

Предварительные эксперименты показали правильность выбранных схем деформирования и эффективность контролируемых геометрических параметров заготовки. Установлено, что длина заготовки Ь уменьшается интенсивнее с увеличением степени формоизменения.

Серия экспериментов по осесимметричному деформирования проводилась с дифференцированным нагревом материала заготовки. Температура нагрева заготовки в очаге деформации изменялась от 350°С до 400°С.

Деформирование осуществлялось в несколько этапов со снятием заготовки из штампа, ее охлаждения, замеров, нагрева и последующего деформирования.

По результатам эксперимента построен график необходимого перемещения АЬ заготовки для увеличения на 1,0 мм максимального радиуса раструба (рис. 12). Из графика видно, что чем больше степень раздачи заготовки (меньше коэффициент раздачи Кр), тем большее перемещение исходной заготовки необходимо обеспечить в очаг деформации.

Максимальный радиус конического раструба, мм

Рис. 12. Зависимость требуемого перемещения заготовки ЛЬ для увеличения на 1,0 мм максимального радиуса конического раструба детали

Распределение толщины в зависимости от степени раздачи (от коэффициента раздачи трубы) приведено на рис. 13. С увеличением степени раздачи трубы разнотолщинность детали увеличивается.

<2 4

1/ о< 3

\ \

1.0 1,5 2,0 2,5

Относительный текущий радиус детали, г / Я0

Рис. 13. Распределение толщины стенки по текущему радиусу заготовки при раздаче : 1 — Кр = 0,8; 2-7^=0,65; 3-КР = 0,5\ А-Кр = 0,45

Для сравнения теоретических и расчетных данных по определению коэффициента ар были выполнены эксперименты, результаты которых приведены на рис. 14.

Величины, входящие в расчетную формулу, определялись по приведенным выше зависимостям:

ь= (Яшах -ЯоУвша; ст=(и2=Ь-ДЬ)/Ь; иг=Ь=ДЯ/(21§а),

где ДЯ- увеличение максимального радиуса (1 мм).

Коэффициент раздачи Кр - расчетная кривая; * экспериментальные данные;

Рис. 14. Зависимость коэффициента ар от коэффициента раздачи (труба 0 32x1 мм, половина угла пуансона 22,5°)

По результатам экспериментов по осесимметричному обжиму можно сделать вывод, что длина получаемой детали практически не отличается от длины исходной заготовки.

Детали, полученные в результате серии экспериментов по неосесиммет-ричному деформированию показаны на рис. 15.

а) б)

Рис. 15. Детали, полученные при неосесимметричном деформировании: а)- обжим; б)- раздача

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих способов изготовления деталей обжимом и раздачей трубчатых заготовок показал, что усложнение форм деталей, повышение требований к точности и качеству их изготовления при сокращении ручных доводочных работ, использование современных высокопрочных материалов требует совершенствования, используемых в настоящее время, оборудования, технологических процессов и методов расчета технологических параметров.

2. С использованием вариационных методов теории пластичности построены уточненные математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния при обжиме и раздаче трубных заготовок в условиях осесимметричного и неосесимметричного деформирования. Полученные теоретические зависимости позволяют по сравнению с существующими теориями определить изменение толщины и длины заготовки в очаге деформации, а также усилие деформирования в зависимости от геометрических размеров матрицы, пуансона и заготовки.

3. На базе полученной математической модели разработано программное обеспечение для ЭВМ для обоснования выбора схемы процесса обжима или раздачи, расчета оптимальных технологических параметров и устройств, обеспечивающих получение деталей необходимого качества и требуемых геометрических размеров.

4. В результате проведения экспериментальных исследований были подтверждены принятые в теоретическом анализе допущения и предположения, уточнено влияние механических свойств материала на распределение удлинений. Определены силовые параметры исследуемых процессов. Погрешность в расчете технологических параметров не превышает 15-20%.

5. Предложены эффективные пути оптимизации форм и размеров штам-повой оснастки для реализации разработанных процессов в промышленности.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Шпорт Р.В., Марьин Б.Н., Макаров К.А. Изготовление высокоресурсных элементов гидрогазовых систем самолета// Авиационная промышленность-2007. -№ 4-С. 38-42.

2. Шпорт Р.В., Марьин Б.Н., Макаров К.А. Перспективные технологические процессы обжима и раздачи трубных заготовок с использованием гранулированного наполнителя// Авиационная промышленность- 2008. -№ 2- С. 2324.

3. Шпорт Р.В. Совершенствование изготовления деталей летательных аппаратов из трубных заготовок// Новые материалы и технологии- НМТ-2008. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Москва. Т 2. -М.: ИЦ МАТИ, 2008,- С. 67-68.

4. Макаров К.А., Шпорт Р.В. Перспективные технологии изготовления элементов гидрогазовых систем летательных аппаратов// Актуальные проблемы российской космонавтики. Труды XXXII академических чтений по космонавтике. Москва. - М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2008.- С. 504.

5. Шпорт Р.В. Разработка и исследование процессов изготовления деталей летательных аппаратов из трубных заготовок// Научные труды Международной молодежной научной конференции XXXIV Гагаринские чтения. Москва,- М.: МАТИ, 2008,- С. 34.

6. Макаров К.А., Шпорт Р.В. Интенсификация процессов обжима и раздачи трубных заготовок при изготовлении тонкостенных деталей летательных аппаратов// Научные труды МАТИ. Выпуск 14 (86). - М.: ИЦ МАТИ, 2009.-С.132-136.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ существующих процессов изготовления осесимметричных и неосесимметричных деталей обжимом и раздачей трубных заготовок.

1.2. Анализ основных путей интенсификации процессов обжима и раздачи в производстве тонкостенных осесимметричных и неосесимметричных деталей.

1.3. Оборудование и технологическая оснастка для обжима и раздачи трубных заготовок.

1.3.1 .Оборудование и оснастка для ротационного обжима.

1.3.2. Оборудование и особенности конструкции штамповой оснастки для обжима.

1.3.3. Особенности конструкции штамповой оснастки для раздачи трубных заготовок.

1.4. Обзор предшествующих теоретических исследований процессов раздачи и обжима трубных заготовок.

1.4.1. Напряженно-деформированное состояние при раздаче концевых участков труб на жестком пуансоне.

1.4.2. Напряженно-деформированное состояние при обжиме концевых участков труб по жесткой матрице.

1.4.3. Теоретические решения неосесимметричных задач.

1.5. Краткие выводы и задачи исследования.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБЖИМА И РАЗДАЧИ ТРУБ В УСЛОВИЯХ ОСЕВОЙ

СИММЕТРИИ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ.

2.1. Исследование процесса обжима труб в жесткой матрице.

2.2. Теоретические исследования процесса раздачи труб по жесткому пуансону.

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

НЕОСЕСИММЕТРИЧСНЫХ ОБЖИМА И РАЗДАЧИ ТРУБ.

3.1. Исследование процесса неосесимметричного обжима.

3.2. Теоретические исследования процесса раздачи труб по жесткому пуансону.

3.3. Выводы по результатам теоретических исследований.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Условия проведения экспериментов.

4.2. Предварительные экспериментальные исследования.

4.2.1. Экспериментальные исследования процесса осесимметричной раздачи.

4.2.2. Экспериментальные исследования процесса осесимметричного обжима.

4.2.3. Экспериментальные исследования процесса неосесимметричной раздачи.

4.3. Экспериментальные исследования осесимметричного деформирования.

4.3.1. Экспериментальные исследования процесса осесимметричной раздачи.

4.3.2. Экспериментальные исследования процесса осесимметричного обжима.

4.4. Экспериментальные исследования неосесимметричного деформирования.

4.4.1. Экспериментальные исследования неосесимметричной раздачи.

4.4.2. Экспериментальные исследования неосесимметричного обжима.

4.5. Выводы по результатам экспериментальных исследований.

Важнейшей задачей, стоящей перед авиа- и ракетостроением, является интенсификация существующих, разработка и освоение новых технологических процессов, обеспечивающих повышение производительности труда, качества изделий и эффективности производства. Ведущее место в этом принадлежит процессам листовой штамповки, методами которой изготавливается до 75 — 80 % деталей планера летательного аппарата.

В последние годы в производстве деталей летательных аппаратов все острее стоят проблемы, связанные с сокращением доли ручных и доводочных работ, уменьшением общей трудоемкости изготовления деталей и изделия в целом, повышением коэффициента использования материала, улучшением труда рабочих и др. Вместе с тем неуклонно повышают требования к качеству изготавливаемых деталей: точности геометрических параметров, равно-толщинности, равнопрочности, к весовым характеристикам.

Расчеты показывают, что уменьшение веса планера летательного аппарата на 2 — 3 % увеличивает дальность полета на 6 — 8 % при той же полезной нагрузке. Это приводит к необходимости использования в конструкции летательного аппарата деталей и узлов с минимальной избыточной массой и повышенными механическими характеристиками.

Решение задачи получения детали с минимальной избыточной массой не может осуществляться в отрыве от их эксплуатационных качеств и экономической эффективности производства. Комплексное решение указанных задач возможно только путем разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов изготовления деталей, которые наряду с экономической, эффективностью производства обеспечивали бы в деталях комплекс требуемых характеристик. Это в свою очередь требует совершенствования существующих методов расчета напряжений и деформаций, возникающих при формоизменении заготовки.

В диссертационной работе приведены результаты дальнейшего исследования способов формоизменения трубных заготовок — процессов обжима и раздачи.

Работа является одним из направлений в комплексе исследований, осуществляемых сотрудниками кафедры «Технология производства летательных аппаратов» МАТИ-РГТУ им: К.Э. Циолковского.

При решении теоретических задач использованы работы: М.В. Сто-рожева, Е.А. Попова, М.Н. Горбунова, Г.А. Смирнова-Аляева, Н.Н. Малини-на, А.А. Ильюшина, Е.И. Исаченкова, А.Д. Матвеева, В.И. Ершова, О.В. Попова, В.И. Глазкова, А.С. Чумадина и других авторов.

Целью работы является сокращение сроков технологической подготовки производства и трудоемкости изготовления деталей летательных аппаратов, получаемых неосесимметричными обжимом и раздачей трубных заготовок.

Методика, материалы, условия исследований. Теоретический анализ процессов обжима и раздачи выполнен с использованием теории пластичности и вариационных методов' расчета. Экспериментальные исследования проведены на натурных образцах и макетах в лабораторных условиях, в условиях опытного производства и мелкосерийного производства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана новая математическая модель и метод расчета напряженно-деформированного состояния при обжиме и раздаче трубных заготовок в условиях неосесимметричного деформирования;

- разработана методика для обоснования выбора схемы деформирования и определения оптимальных технологических параметров исследуемых процессов;

- предложены эффективные пути оптимизации форм и размеров штамповой оснастки.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны новые способы деформирования заготовок и рекомендации по разработке перспективной штамповой оснастки, обеспечивающие сокращение сроков технологической подготовки производства и трудоемкости изготовления деталей; разработаны программы расчета на ЭВМ напряженно-деформированного состояния заготовок, которые могут быть использованы для обоснования выбора схемы процесса обжима или раздачи, расчета технологических параметров процесса и устройств для его реализации;

- предложены упрощенные формулы для расчета основных технологических параметров процессов обжима и раздачи.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения», XXXII академических чтениях по космонавтике, Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» в 2008 г., изложены в научных статьях, приведенных в списке публикаций.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе 2 статьях в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих способов изготовления деталей обжимом и раздачей трубчатых заготовок показал, что усложнение форм деталей, повышение требований к точности и качеству их изготовления при сокращении ручных доводочных работ, использование современных высокопрочных материалов требует совершенствования, используемых в настоящее время, оборудования, технологических процессов и методов расчета технологических параметров.

2. С использованием вариационных методов теории пластичности построены уточненные математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния- при обжиме и раздаче трубных заготовок в условиях осесимметричного и неосесимметричного деформирования. Полученные теоретические зависимости позволяют определить изменение толщиньг и длины заготовки в очаге деформации, а также усилие деформирования в зависимости от геометрических размеров пуансона и заготовки.

3. На базе полученной математической модели разработано программное обеспечение для ЭВМ для обоснования выбора схемы процесса обжима или раздачи, расчета оптимальных технологических параметров и устройств, обеспечивающих получение деталей необходимого качества и требуемых геометрических размеров.

4. В результате проведения экспериментальных исследований были подтверждены принятые в теоретическом анализе допущения и предположения, уточнено влияние механических свойств материала на распределение удлинений. Определены силовые параметры исследуемых процессов. Погрешность в расчете технологических параметров не превышает 15-20%.

5. Предложены эффективные пути оптимизации форм и размеров штамповой оснастки для реализации разработанных процессов в промышленности.

1. Технология самолетостроения / A.JL Абибов, Н.М. Бирюков, В.В. Бойцов и др. — М.: Машиностроение, 1970. — 598 с.

2. Тонкостенные оболочки конструкции / Под ред. Э.И. Григолюка, пер. с английского. — М.: Машиностроение, 1980. 607 с.

3. Белянин П.Н. Производство широко фюзеляжных самолетов. — М.: Машиностроение, 1979. -358 с.

4. Горбунов М.Н. Основы технологии производства самолетов. — М.: Машиностроение, 1976. — 260 с.

5. А. с. 511127СССР, МКИ В21 Д22/18. Способ изготовления толстостенных днищ / Березин И.В. 1976.

6. Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. — Л.: Машиностроение, 1975. — 278 с.

7. Анучин М.А., Антоненков Ю.П., Жбанов Ю.П. Штамповка взрывом. -М.: Машиностроение, 1972. 149 с.

8. Штамповка элементов корпусных конструкций / В.Г. Степанов, М.В. Брук, В.П. Понкратов и др. JL: Машиностроение, 1972. —279 с.

9. Романовкий В.П. Справочник по холодной штамповке. — JL: Машиностроение, 1979. 520 с.

10. Мошнин Е.Н. Технология штамповки крупногабаритных деталей. — М.: Машиностроение», 1973. 240 с.

11. Гредитов М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание. — М.: Машиностроение, 1971. 232 с.

12. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. — Л.: Машиностроение, 1980. —432 с.

13. Patent 3895436 U.S., CI. В23 ЛЗ/02. Forming metal / L.E. Summers, J.F. Cornu-Rickard, D.S. Underhill. 1975.

14. Горбунов М.Н. Штамповка деталей из трубчатых заготовок. — М.: Машгиз, 1960. 190 с.

15. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машгиз, 1962.-328 с.

16. Petersen W.A., Lang F.N. Forming superplastic alloys by internal'pressure // Metals Engineering Qnarterly. February, 1975. P. 31-32.

17. Соловцов C.C. Значение трубных заготовок и местного подогрева для сокращения трудоемкости формоизменяющих операций // Новое в технологии высокопроизводительной штамповки: сборник статей. — М.: Машгиз, МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1959. С. 106-130.

18. Исаченков Е.И. Развитие технологических процессов штамповки эластичными и жидкими средами // Кузнечно-штамповочное производство, 1981,№9.-С. 20-30.

19. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1970. 351 с.

20. Абрамов A.M. Исследование процесса формообразования оболочек замкнутых контуров растяжением // Новое в технологии штамповки: сборник статей «Труды МАТИ, №65». М.: Машиностроение, 1966. - С. 60-85.

21. А. с. 735357 СССР. Штамп для раздачи конических заготовок / Ю.Л. Поляков. 1980, БИ №19.

22. А. с. №738719 СССР. Штамп / А.Ю. Аверкиев, А.Н. Шипилов. 1980, БИ№21.

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

24. А. с. 1044388 СССР, МКИ В21Д41/02. Инструмент для формовки раструбов на концах полых цилиндрических заготовок / В.К. Удовенко, Г.Е. Игнатов, В.З. Баскелович и др. 1983.

25. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. — М.: Машиностроение, 1967. 367 с.

26. Ходырев В.А. Проектирование, изготовление и эксплуатация штампов полиуретаном. Пермь, 1975. — 369 с.

27. А. с. 835568 СССР, МКИВ21Д22/10. Способ формовки полых деталей эластичным пуансоном в жесткую матрицу / А.П. Бельков, В.А. Ходырев, Н.П. Пелечева. 1981.

28. А. с. 635665 СССР. Способ раздачи труб / Е.А. Близнюков, Д.Е. Рохман. 1979, БИ№23.

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

30. А. с. 182096 СССР. Способ изготовления деталей типа дисков и от-бортовок у труб с использованием центробежных сил / А.В. Алтыкин, Г.А. Лившиц, В.П. Рабинович. 1972, БИ №27.

31. Горбунов М.Н. Значение местного нагрева заготовки в повышении производительности процессов листовой штамповки // Новое в технологии высокопроизводительной штамповки: сборник статей. — М.: Машгиз, МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1959. С. 85-105.

32. Ершов В.И. Об одном способе расширения технологических возможностей осесимметричного деформирования // Известия вузов. Авиационная техника, 1974, №4. С. 45-50.

33. Горбунов М.Н., Глазков В.И. Раздача трубчатых заготовок с подпором по кромке // Кузнечно-штамповочное производство, 1986, №8. — С. 22-26.

34. Интенсификация процессов раздачи полых цилиндрических заготовок / А.Г. Пашкевич, В.И Глазков, В.И. Ершов и др. // Кузнечно-штамповочное производство, 1975, №7. С. 17-19.

35. А. с. 462633 СССР. Штамп для раздачи с подпором трубчатых заготовок / В.И. Ершов, В.И. Глазков, А.Д. Ковалев и др. 1975, БИ №9.

36. А. с. 719760 СССР. Штамп для раздачи труб / А.Г. Пашкевич, А.В. Орехов, Н.Ю. Каратаева и др. 1980, БИ №9.

37. А. с. №735358 СССР. Устройство для раздачи тонкостенных конических оболочек / В.И. Глазков, В.И. Ершов, М.Ф. Каширин и др. 1980, БИ№19.

38. Фролов В.Н. Гидравлическая вытяжка гофров в полой цилиндрической заготовке // Вестник машиностроения, 1956, №10. С. 51-54.

39. Исаченков Е.И. Новые способы штамповки-вытяжки М. — JL: Маш-гиз, 1955.-52 с.

40. А. с. 631242 СССР. Устройство для гидравлической раздачи труб с осевым подпором / В.И. Степунин, O.JI. Толоконников, А.И. Родинов и др. 1978, БИ №41.

41. А. с. 946728 СССР, МКИ В21Д22/10. Штамп для раздачи эластичной средой цилиндрических заготовок с осевым подпором / Н.В. Потекушин. 1982

42. А. с. 854516 СССР, МКИ В21 Д41/02 Устройство для раздачи тонкостенных оболочек / В.И. Глазков, В.И. Ершов, М.Ф. Каширин и др. 1981, БИ №30.

43. Способ штамповки конических заготовок / В.К. Моисеев, В.Д. Щеголеватых, А.Д. Комаров и др. Положительное решение по заявке № 2587329/25-27. 1978.

44. А. с. 615995 СССР, МКИ В21Д22/10. Инструмент для листовой штамповки / В.К. Моисеев, В.Д. Щеголеватых, А.Д. Комаров и др. 1978.

45. А. с. 893337 СССР. Способ раздачи труб / В.И. Глазков, В.И. Ершов, М.Ф. Каширин. 1981, БИ № 48.

46. Шофман JI.A. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. — М.: Машиностроение, 1964. — 375 с.

47. Соловцов С.С. Исследование формовки удлиненных фасонных деталей с замкнутыми поперечными сечениями // Сборник трудов Московского станкостроительного инструмента, 1958, №4. С. 183-221.

48. Соловцов С.С. Исследование рациональных методов штамповки гильз протезов: автореф. дисс. . канд. техн. наук. —М., 1959. — 15 с.

49. Попов Е.А. Анализ операций осесимметричного обжима, раздачи и отбортовки // Основы теории обработки металлов давлением / Под ред. М.В. Сторожева. М.: Машгиз, 1959. - С. 423-441.

50. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. — М.: Машиностроение, 1977.-278 с.

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

52. Казакевич И.И. Расчеты процессов обжима и раздачи труб // Вестник машиностроения, 1959, № 6. — С. 48-51.

53. Ильюшин А.А. Пластичность. M.-JL, 1948. Ч. 1. - 376 с.

54. Лебедев Н.Ф. Об обжатии, раздаче и волочении труб // Инженерный сборник. АН СССР, ОНТ, 1950. - Т. VI. - С. 3-16.

55. Бубнова JI.B., Малинин Н.Н. Напряжения и деформации при формоизменении тонкостенных труб // Известия вузов. Машиностроение. 1965, № 10.-С. 199-203.

56. Звороно Б.П. Определение напряжений и деформаций приближенным интегрированием по правилам трапеций и прямоугольников // Основы теории обработки металлов давлением / Под ред. М.В. Сторожева. — М.: Машгиз, 1959. С. 349-368.

57. Глазков В.И. Исследование процесса раздачи тонкостенных трубчатых заготовок с осевым подпором: автореф. дисс. . канд. техн. наук. — М.: МАТИ, 1968.-24 с.

58. Ершов В.И. Раздача трубчатых заготовок при переменном сопротивлении деформированию // Кузнечно-штамповочное производство, 1965, №2.-С. 14-19.

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

60. Чумадин А.С. К расчету напряженно-деформированного состояния при листовой штамповке // Кузнечно-штамповочное производство, 1987, № 8. С. 27-29.

61. Ильюшин А.А. Обжатие труб // Инженерный сборник АН СССР.1941.-Т. 1. Вып. 1.

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

63. Теория обработки металлов давлением / И.Я. Тарновский, А.А. По!здеев, О.А. Гонаго и др. — М.: Металлургиздат, 1963. — 745 с.

64. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. - 688 с.

65. Ершов В.И. и др. Совершенствование формоизменяющих операций листовой штамповки / В.И. Ершов, В.И. Глазков, М.Ф. Каширин. — М.: Машиностроение, 1990. 312 с.