автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Прогнозирование локальных остаточных деформаций при проектировании технологического процесса изготовления маложестких деталей

/0 /''-*> ! /"" / V Л*- к**

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ЛИВШИЦ Александр Валерьевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.08 -Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент С.К. Каргапольцев

Иркутск-1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ................................................................................ 9

1.1. Особенности производства маложестких деталей................ 9

1.2. Остаточные напряжения и деформации.............................. 16

1.3. Средства и методы, используемые для решения задач минимизации остаточных деформации маложестких деталей ... 36

Цели и задачи исследования...................................................... 43

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПОЛОТНА ПОДКРЕПЛЕННОЙ ЯЧЕЙКИ МАЛОЖЕСТКОЙ ДЕТАЛИ..................... 47

2.1. Анализ методик решения задач, подобных прогнозированию возникновения локальных остаточных деформаций полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали........................ 47

2.2. Математическая модель локальных остаточных деформаций полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали............ 56

2.3. Математическая модель локальной потери устойчивости полотна подкрепленной ячейки детали при его расположении

по нейтральной оси поперечного сечения заготовки ............. 74

2.4. Программное обеспечение, реализующее математические модели............................................................................ 79

2.5. Анализ разработанных математических моделей.................. 84

2.5.1. Анализ математической модели прогнозирования локальных остаточных деформаций полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали................................. 84

2.5.2. Анализ математической модели оценки локальной устойчивости полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали............................................................... 96

Выводы........................................................................................................................................................................102

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................104

3.1. Общие условия проведения экспериментов..................................................104

3.2. Определение термических остаточных напряжений в заготовках .......................................................................................................................107

3.3. Исследование локальных остаточных деформаций полотна подкрепленной ячейки при различных величинах его толщины......................................................................................................................................................................113

3.4. Исследование локальных остаточных деформаций полотна ячейки детали при различном распределении припусков на обработку................................................................................................................................................127

3.5. Исследование локальной устойчивости полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали..................................................................................133

Выводы........................................................................................................................................................................139

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ............................................................................................................................................................................140

4.1. Определение оптимальных условий обработки маложестких деталей............................................................................................................................140

4.2. Разработка рекомендаций для доработки конструкции детали 150

4.3. Разработка рациональных технологических процессов с минимальной локальной деформацией изгиба..................................................152

Выводы..........................................................................................................................................................................156

Общие выводы по работе........................................................................................................................157

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..............................................................................................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..............................................................................................................................................182

ПРИЛОЖЕНИЕ 4..................................... ..................................................................186

ПРИЛОЖЕНИЕ 5..............................................................................................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроительном производстве, являющемся многономенклатурным, имеется большое количество изделий, характеризуемых высокой конструктивной сложностью, повышенными требованиями к точности изготовления, качеству поверхностей, а в итоге и к эксплуатационным свойствам продукции, ресурсу ее работы.

Так, в частности, в авиационном производстве, в процессе создания крупногабаритных летательных аппаратов важной задачей является рациональное проектирование высоконагруженных несущих деталей, обеспечивающих максимальную жесткость при минимальной массе. Вследствие этого в конструкции планера самолетов существует большая номенклатура маложестких авиационных деталей характеризуемых незначительной толщиной полотна и ребер и различным характером расположения последних. При существующих технологических процессах изготовления маложестких деталей встречаются серьезные затруднения их производства в связи с появлением общего коробления, а часто и локальной потери устойчивости, приводящих к браку. В связи с этим в технологический процесс приходится вводить дополнительные операции правки и рихтовки, отрицательно сказывающиеся на общей трудоемкости изготовления детали и на снижении ее эксплуатационных свойств.

Высокая стоимость маложестких деталей, значительные временные затраты на осуществление операций правки и рихтовки, которые могут достигать 30% от общего баланса времени их изготовления, ставят задачу пересмотра взгляда на проектирование технологического процесса их изготовления.

Хорошо известно, что коробление маложестких деталей, локальная потеря устойчивости их полотна в межреберном пространстве связаны с перераспределением остаточных напряжений, возникающих в

детали на всех этапах ее изготовления.

В настоящее время существует целая гамма методов, позволяющих как оценивать, так и прогнозировать остаточные деформации маложестких деталей, но все они носят частный характер и, как правило, не позволяют проектировать технологические процессы большинства подобных деталей устраняющие коробление. Кроме того, вопрос устранения локальной потери устойчивости полотна маложесткой детали в межреберном пространстве («хлопунов») остается по-прежнему открытым.

Дальнейшее развитие теоретических подходов к изготовлению маложестких деталей неразрывно связано с математическим моделированием их деформаций в ходе процесса обработки. Особенно данное положение актуально применительно к такому типу деформаций, как локальная потеря устойчивости полотна маложестких деталей в межреберном пространстве. Такие деформации приводят к многочисленным дефектам полотна, влияют на эксплуатационные свойства изделия.

В настоящей работе была поставлена цель - разработать инженерную методику минимизации локальных остаточных деформаций полотна в межреберном пространстве маложесткой детали при проектировании технологического процесса ее изготовления и создать необходимую для этого математическую базу.

Результаты работы нашли отражение в четырех главах.

В первой главе показан большой вклад в изучение остаточных напряжений и деформаций маложестких деталей исследователей А.П. Абрамова, В.В.Абрамова, И.А.Биргера, С.П.Гинкула, Н.В.Калакутского, Ю.И.Замащикова, С.К.Каргапольцева, Г.П.Козирук, В.Е.Койре, О.Ю.Коцюбинского, Б.А.Кравченко, А.А.Маталина, К.Ф.Митряева, А.П. Овсеенко, А.И.Промптова, Д.Д.Папшева, А.П.Соколовского,

П.И.Ящерицина и ряда других.

На основании литературного обзора и проведенных наблюдений по изучению остаточных деформаций маложестких деталей в ходе их изготовления были выявлены причины возникновения остаточных деформаций и виды порождаемых ими дефектов. В результате проведенного анализа установлено, что наибольшее количество дефектов в виде различных зарезов, «хлопунов» возникают в результате локального деформирования полотна в межреберном пространстве маложесткой детали.

В ходе рассмотрения ранее выполненных работ, производственных нормативных документов и патентного поиска установлено, что существующие методики управления и прогнозирования остаточными деформациями касаются только общих остаточных деформаций маложестких деталей и практически не касаются локальных деформаций их полотна, возникающих в межреберном пространстве. На основе проведенного анализа сделан вывод о необходимости изменения подходов к разработке технологического процесса изготовления маложестких деталей. В его основу должен быть положен комплексный подход к устранению как общих остаточных деформаций изгиба маложестких деталей, так и локальной потери устойчивости их полотна в межреберном пространстве.

В связи с этим в дополнение и развитие ранее выполненных работ, связанных с управлением общими остаточными деформациями маложестких деталей, были сформулированы цель работы и следующие задачи, которые подлежали решению для достижения поставленной цели.

Во второй главе проанализированы методы решения задач, подобных прогнозированию возникновения локальных остаточных деформаций полотна маложесткой детали в межреберном пространстве

в рамках теории упругости, пластин и оболочек. Представлены разработанные автором на основе проведенного анализа и рассмотрения маложесткой детали в виде набора отдельных подкрепленных ячеек следующие математические модели:

а) формирования локальных остаточных деформаций полотна подкрепленной ячейки маложесткой деталей, изготавливаемой из плиты;

б) локальной потери устойчивости полотна подкрепленной ячейки при его расположении по нейтральной оси поперечного сечения заготовки.

Третья глава посвящена экспериментальной проверке математических моделей, приведенных во второй главе.

В этой главе рассмотрены общие условия проведения экспериментов, описана необходимая оснастка для их проведения, изложена методика определения остаточных напряжений в заготовке, а так же локальных остаточных деформаций полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали. Изложено обоснование размеров и формы образцов, режущего инструмента, его геометрических параметров. Исследовано локальное деформирование полотна изготовленных образцов с подкрепляющими ребрами.

В четвертой главе представлен комплексный алгоритм минимизации остаточных деформаций при проектировании технологического процесса изготовления маложестких деталей, учитывающий как общий изгиб подобных деталей, так и локальные остаточные деформации их полотна в межреберном пространстве и определяющий последовательность проведения операций по минимизации остаточных деформаций маложестких деталей.

Основываясь на проведенных исследованиях, автор выносит на защиту:

1. Математическую модель, прогнозирования локальных остаточных деформаций полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали при различных геометрических размерах ячеек, характере подкрепления и остаточных термических напряжениях заготовки;

2. Математическую модель локальной потери устойчивости полотна подкрепленной ячейки маложесткой детали при его расположении по нейтральной оси поперечного сечения заготовки, позволяющую оценить устойчивость при различных геометрических размерах ячеек детали, различном расположении ребер жесткости и остаточных напряжений заготовки;

3. Комплексную методику прогнозирования остаточных деформаций изгиба маложестких деталей при проектировании технологического процесса их обработки, учитывающую как общий изгиб детали, так и локальные деформации ее полотна в межреберном пространстве.

4. Регламент корректировки конструкции маложестких деталей с целью минимизации локальных остаточных деформаций их полотна в межреберных пространствах.

Работа выполнена в течение 1995 - 1999 годов на кафедре оборудования и автоматизации машиностроения Иркутского государственного технического университета и в цехах Иркутского и Улан-Удэнского авиационно-производственных объединений.

Результаты работы прошли апробацию на Иркутском и Улан-Удэнском авиационно-производственных объединениях.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

1.1. Особенности производства маложестких деталей

Повышение надежности, грузоподъемности, уменьшения веса целого ряда изделий в машиностроительном производстве неразрывно связано с применением в их конструкциях маложестких деталей, которые можно представить в виде набора тонких пластин, подкрепленных по краям ребрами, сочетающих в себе элементы как силового набора, так и обшивки.

Расширение производства современной авиационной и корабельной техники резко увеличило номенклатуру используемых монолитных маложестких деталей, позволяющих:

а) реализовать в одной детали элементы силового набора и обшивки;

б) применить принцип блочной конструкции планера самолета, снижающей трудоемкость обработки и сборки его деталей;

в) сократить количество конструктивных разъемов, а, следовательно, повысить герметичность изделия;

г) уменьшить количество основных и крепежных деталей при обеспечении высокой прочности и снижении веса агрегатов;

д) снизить себестоимость изготовления изделий в серийном производстве;

е) повысить надежность и ресурс машин в эксплуатации.

Рассматривая конструкции монолитных маложестких деталей,

изображенных на рисунках 1,1... 1,4 можно сделать вывод о том, что эти детали имеют сложную конструкцию, сочетающую в себе разнообразное расположение подкрепляющих ребер, наличие окон, лючков. Кроме того, обладая большими габаритными размерами (до 25000

/ \ 04

/о о г----ч \ о ' \ ^ \

4-70

Рис. 1.1. Панель

Размер заготовки 36 х 910 х 1700 мм. Высота ребер: поперечные - 35... 30 мм;

Продольные - 20 мм. Толщина полотна - Змм.

Допустимые отклонения от прямолинейности 0,5 мм.

Рис. 1.2. Лонжерон

Размеры заготовки. 112 х 73 х 1735мм Толщина ребер - 4,5 мм. Толщина полотна - 2...5,5 мм

Допустимые отклонения от прямолинейности 0,5 мм.

О о О ( ) ( ) о

Рис. 1.3. Нервюра

Размеры заготовки 90x180x1100 мм. Толщина ребер - 3,6 мм. Толщина полотна - 4 мм

Допустимые отклонения от прямолинейности 0,5 мм.

\

\

О О \

\

() 0 \

Рис. 1.4. Панель

Размеры заготовки 50x910x1700 мм.

Толщина ребер - 2,5... 3 мм.

Толщина полотна - 1,2...2 мм

Допустимая неплоскостность панели - до 1,5 мм

Локальная неплоскостность по полотну толщиной 1,2 мм - 0,3

мм

мм) они имеют жесткие требования к точности их формы, так, например, допуски на непрямолинейность и неплоскостность составляют 0,1...0,5 мм [16, 68].

Широкое использование монолитных маложестких деталей привело к резкому возрастанию доли механической обработки в общей трудоемкости изготовления, которая для ряда изделий составляет до 40% [8,53,87,93,94], что, в свою очередь, привело к коренному пересмотру взглядов на технологию изготовления таких деталей.

На сегодня, для производства маложестких деталей металлургическая промышленность предоставляет большую гамму различных деформируемых алюминиевых сплавов в виде листового проката, штампованного, прессованного полуфабриката [4,34,67]. Среди них наибольшее применение получили следующие сплавы:

- сплавы Д16 и Д19 системы алюминий-медь-магний-марганец, относящиеся к теплостойким, применяются для изготовления обшивки, шпангоутов, стрингеров и лонжеронов самолетов из листового, прессованного и штампованного полуфабриката. Они относятся к дуралюми-нам и при закалке требуют обеспечения высокой скорости охлаждения.

- Высокопрочный сплав В95 системы алюминий-цинк-магний-медь, применяется для изготовления высоконагруженных конструкций, работающих длительное время при температуре <100...120° (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны и т.д.) из листового, прессованного и штампованного полуфабриката. По сравнению с дуралюминами этот сплав обладает большей чувствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением.

- Сплав АК4-1 системы алюминий-медь-магний-железо-никель, относящийся к жаропрочным сплавам, обладает высокой пластичностью в горячем и холодном состояниях, что позволяет использовать его при производстве заготовок сложного профиля. Из этого сплава изго-

тавливаются крыльчатки, лопатки и диски осевых компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов и т.д., работающие при температуре до 300°С.

Рассматривая собственно процесс изготовления маложестких деталей типовую последовательность операций их производства из таки