автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка процесса получения деталей из металлических композиционных материалов в кромкогибочном устройстве

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С Л.КОРОЛЕВА

На правах рукописи

ЦВЕТКОВ АЛЕКСАНДР ВИКТРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В КРОМКОГИБОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Арышенский Ю.М.

е/

САМАРА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ¥

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ {О

1.1. Металлические композиционные материалы (МКМ) и их свойства.

1.2. Вопросы механики композиционных материалов /У

1.3. Способы получения профильных деталей из МКМ. /$

1.4. Технологические способы стесненного изгиба.

1.4.1. Изгиб моментом с приложением тангенциальных усилий. й$

1.4.2. Изгиб моментом с приложением тангенциальных и осевых усилий. ^

1.4.3. Изгиб моментом с приложением тангенциальных и радиальных нагрузок.

Ч.

1.4.4. Изгиб моментом с приложением тангенциальных, радиальных и осевых усилий.

1.4.5. Стесненный изгиб профилей с локализацией очага пластической деформации

1.4.6. Метод профилирования фланцев в листовых заготовках ¿/0

1.4.7. Стесненный изгиб в кромкогибочных устройствах ЦО

1.5. Методы неразрушающего контроля композиционных материалов Ц/

1.5.1. Метод механического нагружения ¿/^

1.5.2. Теплометрический метод

1.5.3. Склерометрический метод

1.5.4. Метод акустической эмиссии ^

1.6. Вопросы теории гибки МКМ.

1.7. Основные выводы и задачи работы

2. СТЕСНЕННЫЙ ИЗГИБ НА КРОМКОГИБОЧНОЙ МАШИНЕ ££ 2.1. Существующие устройства для кромкогиба.

2.2. Разработка и изготовление усовершенствованной установки для стесненного гиба МКМ (ЭГУ)

2.3. Возможности кромкогибочных установок (кромкогибов). £~9

3. ТЕОРИЯ ГИБКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ &

3.1. Общие положения.

3.2. Основные допущения и исходные уравнения для решения задачи. $ 3

3.3. Разложение исходных уравнений по параметру возмущения. В6

3.4. Нулевое приближение

3.5. Первое приближение ^ ^

3.6. Напряженно-деформированное состояние при гибке МКМ с

учетом нулевого и первого приближений. ^

3.7. Положение нейтрального волокна

3.8. Предельные возможности материала в процессе гибки МКМ §О

3.9. Силовые параметры гибки МКМ V

3.10. Определение величины пружинения металла после гибки 8 £

3.11. Особенности гибки композита поперек волокон

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГИБКИ

/38/, /50/, /51/ м

4.1. Методика проведения экспериментов 8 ¥

4.2. Проведение эксперимента

4.3. Результаты экспериментальных исследований

5. МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Сущность метода акустической эмиссии (АЭ) дд

5.2. Аппаратура для регистрации параметров акустической эмиссии. -{00

5.3. Экспериментальное исследование с помощью акустической эмиссии.

6. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НА КРОМКОГИБОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ /Л

6.1. Порядок разработки техпроцесса гибки. МЪ

6.2. Рациональная область применения кромкогибочного устройства ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПОСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

г

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

<Ту - компоненты тензора напряжений;

(тв,сгр - тангенциальное и радиальное напряжения;

о"ф - касательное напряжение;

jUy - коэффициенты поперечной деформации;

Уу - коэффициенты Пуассона;

Ка - показатель анизотропии;

та - переходной коэффициент;

ву - компоненты натуральной деформации;

ев,е - тангенциальные и радиальные деформации;

ев - сдвиговая деформация ;

S5 - относительное удлинения материала; у/ш - относительное сужение; М - изгибающий момент; Г - усилие сжатия; 8 = ASм - малый параметр, где

ASM - относительное утолщение материала по биссектрисе угла гиба;

V = 1п—- координата выбранной системы; Рн

р - переменный радиус; рн - радиус нейтральной поверхности; R - наружный радиус; г - внутренний радиус;

zs - предел текучести на сдвиг; —

сг. = —- - относительные напряжения;

1 1

К =----изменение кривизны, где

Рн Рост

рост - остаточный радиус; Е{ - модуль упругости.

ВВЕДЕНИЕ

При конструировании и изготовлении деталей летательных аппаратов всегда стояла задача уменьшения металлоемкости изделий, повышения их качества, эксплуатационной надежности, снижения расхода материала.

Для выполнения поставленных задач приходится использовать принципиально новые виды конструкционных материалов. Дело в том, что нужны материалы, имеющие специфический комплекс свойств, - такие как жаростойкость, высокая удельная прочность, повышенная виброустойчивость, регулируемость в широком диапазоне механических характеристик и т.д.

Опыт показал, что подобный комплекс свойств не удается получить в каком-то одном сплаве. Для разрешения этой проблемы в последние годы были разработаны композиционные материалы, в которых сочетаются разнородные по свойствам составляющие (матрицы и наполнители).

Однако высокая прочность и низкая пластичность упрочняющих волокон, резкая анизотропия материала вызывает существенные трудности технологического плана. В связи с этим приходится довольно часто отказываться от традиционных способов изготовления из них деталей и разрабатывать принципиально новые. Это, в частности, относится к способам гибки. Разработке нового способа изготовления деталей из композиционных материалов - гибки со сжатием в кромкогибочных устройствах посвящена диссертация.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

В конструкциях летательных аппаратов широко используются детали, где основной операцией, при их изготовлении, является гибка. В то же время, если деформируемым материалом является композит с низкой пластичностью, то традиционные способы штамповки не позволяют получать детали с заданным

радиусом гиба и необходимой формой. В связи с этим приходится создавать новые технологические способы гибки. Поэтому любая работа, направленная на решение данной проблемы является актуальной.

Цель работы.

Разработать и исследовать способ получения деталей небольших габаритов из металлических композиционных материалов (МКМ).

Научная новизна.

Показана возможность использования кромкогиба для деформирования МКМ. Проведен теоретический анализ стесненного изгиба с учетом особенностей, свойственных композиционным материалам. Выведены формулы для расчета основных технологических параметров процесса: минимально допустимого радиуса гиба, величины пруженения материала после гибки, усилия поджатия заготовки. Установлена зависимость между сигналами АЭ и повреждаемостью волокон композита КАС - 1 - А.

Практическая ценность.

Предложен и разработан способ изготовления малогабаритных деталей из МКМ - стесненный изгиб в кромкогибочном устройстве. Он позволил деформировать материал на более малые радиусы, чем при использовании обычного кромкогиба. Спроектировано и изготовлено гибочное устройство, необходимая оснастка. Показана последовательность ведения разработанного технологического процесса. Все теоретические соотношения доведены до уровня, необходимого для использования на производстве. Предложен способ контроля целостности волокон в процессе деформирования МКМ с помощью метода АЭ.

Публикации и апробации.

Основное содержание диссертации опубликовано в двух монографиях, 11 статьях и тезисах докладов, в одном авторском свидетельстве на изобретение. Сделаны доклады на 6 научно-технических конференциях.

Объем работы.

Диссертация изложена на страницах, включая таблицы и рисунки. Она содержит 6 глав, список использованной литературы наименований.

Уо

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Металлические композиционные материалы (МКМ) и их свойства.

Металлические композиционные материалы входят в группу волокнистых композитов, где пластичная матрица армирована проволокой, нитевидными кристаллами и т.д. Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластическое деформирование матричного материала, а в том, чтобы при его деформации обеспечивалось нагружение волокон и использовалась их высокая прочность. В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.

Податливая матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица-волокно. Следовательно, механические свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно. Соотношение этих параметров характеризуют весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения.

Рассмотрим основные механические и технологические свойства некоторых КМ с металлической матрицей. /1, 2/

В таблицах 1.1, 1.2 показано влияние направления вырезки образцов на предел прочности и относительное удлинение. При этом поперечная прочность для всех материалов значительно ниже, чем в продольном направлении. Относительное удлинение (5=4-5 %) КМ , армированных стальной проволокой, допускает небольшую пластическую деформацию при их нагружении.

Изменение механических характеристик МКМ в зависимости от направления армирования

Материал Ув, % Вырезка вдоль волокон Вырезка поперек волокон

композита Рв, МПа &;% Рв, МПа 3%

АД1-Х18Н10Т 36 580 3,8 225 5,2

АМгЗ-Х18Н10Т 36 670 3,7 380 5,0

А1-В 40 1000-1200 0,4 60-70 0,7

АД1-ВТ15+В 30 900-1000 - 350 -

МА8+В 43 1160 0,3 180 0,9

Таблица 1.2.

Механические характеристики МКМ системы А1-В

Рв, МПа Е, МПа 8, %

вдоль волокон поперек волокон вдоль волокон поперек волокон вдоль волокон поперек волокон

1200-1540 133-155 200000-230000 141000 0,6-0,8 0,6

В таблице 1.3 приведены механические характеристики КМ системы А1+В в зависимости от объемной доли армирования. Ортогонально армированные КМ имеют большее различие в свойствах при различных углах нагружения при одинаковых объемных долях армирования. С уменьшением объемной доли поперечного армирования это различие существенно возрастает. Механические характеристики КМ системы алюминий-бор и магний-бор приведены в таблицах 1.5-1.7 /1, 3/. Приведенные данные показывают, что наибольшие прочностные свойства имеют КМ, армированными волокнами бора. Однако пластичность таких КМ как в продольном , так и поперечном направления весьма мала и не превышает 1% (табл. 1.1, 1.2, 1.3).

п

Зависимость механических характеристик КМ А1 сплав 1100 - борсик от объемной доли армирования

У вол, % Е, МПа V У вол, % Е, МПа V М

0 68000 0,34 0,40 41 198000 0,26 0,32

13 115000 0,30 0,37 50 220000 0,23 -0,28

34 170000 0,27 0,31 54 220000 0,22 0,26

На прочность КМ оказывает существенное влияние как направление вырезки образцов (табл. 1.4), так и объемная доля армирования (табл. 1.5, 1.6), химический состав матрицы и армирующих волокон (табл. 1.7).

Таблица 1.4.

Прочность и жесткость ортогонально армированного боралюминия

Объемная доля волокон, % в направлении полос ой(МПа) ——-- при углах, градусы между продольным Ев(ГПа) направлением и осью нагружения

продольном поперечном 0° 45° 90°

20 20 301-306 144-173 52-71 62-67 264 - 290 140-162

25 15 326 - 354 131-147 75-87 69-71 256-296 77-91

30 10 672 - 695 196-244 66-71 93 159-160 57-83

35 5 735-773 181-228 42-50 43-52 160-178 58-71

Механические свойства материала АД1-В /3/

Объемная доля волокон, % сг„род, МПа а попер, МПа Епрод, ГПа Еп0перГПа

20 519-540 98-117 136,7 77,90

25 737-837 98-117 146,9 88,75

30 850-890 98-117 163,4 94,80

40 1070-1130 88-108 199,3 127,60

47 1213-1230 88-108 226,6 134,50

54 1200-1270 69-79 245,0 139,10

Таблица 1.6.

Механические свойства боралюминиевых композитов с легированными матрицами /3/

Материал матрицы У/, % Состояние композита сгь МПа ог, МПа Е1г ГПа Е2, ГПа

АМгб 30 После горячего 870 125 161,2 93,7

35 деформирования 885 92 187,2 103,6

42 915 57 202,0 127,1

30 После отжига 865 154 - -

35 880 128 - -

42 930 79 - -

АМг2 35 После горячего 982 174 189,0 102,9

45 деформирования 1257 168 214,7 130,5

/</

Прочность композита магний-бор

Объемная доля волокон, % О], МПа при

растяжении изгибе

25 880-920 1140

30 960 -

45 1200 -

50 1250 -

70 - -

75 1330 1600

Примечание. При сжатии и объемной доле волокон 70% О1=3200 МПа. о\, Е] - при испытании вдоль волокна, (Т2, Е2 - при испытании поперек волокна (табл. 1.6)

В настоящее время разработаны, паспортизированы и прошли испытания четыре типа отечественных волокнистых композиционных материалов с металлической матрицей: алюминий-стальная проволока (КАС-1; КАС-1А), алюминий-бор (ВКА-1; ВКА -2) , алюминий-углерод (ВКУ-1) и магний-бор (ВКМ-1) со следующими свойствами (табл. 1.8). Весьма перспективными с технологической точки зрения являются КМ системы алюминий-стальная проволока КАС-1 А (АВ+ВНС-9). Композиционные материалы марки КАС-1 имеет гетерогенную структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределена стальная проволока марки ВНС-9 (до 40 об.%). Благодаря наличию высокопрочного стального волокна композиция обладает высокими механическими характеристиками в продольном направлении. Металлическая матрица позволяет равномерно распределять напряжение между стальными волокнами и повышает пластичность материала. Компоненты, из которых изготовлен материал КАС-1 А не дефицитны: матрица - фольга из сплава АВ, выпускаемая серийно; упрочнитель - высокопрочная коррозионностойкая проволока из стали ВНС-9 (табл. 1.9.).

Свойства ВКМ

Свойства КАС-1А ВКМ-1 ВКА-2 ВКУ-1А

Плотность, г/см1 4,74 2,15 2,65 2,4

Рв, МПа 1500 1200 1300 1150

Я-103, МПа 117 230 230 280

ав40\ МПа 750 800 800 950

а.и МПа 480 600 800 400

ак, кгсхм.±см 6,0 4,0 3,2 1,0

<7В1, МПа 280 200 200 65

амцу, МПа 520 800 950 600

С7в/у КМ 33 56 49 48

Е/у км 2470 10700 8700 11600

Таблица 1.9.

Состав композиционного материала марки КАС-1А

Матрица Упрочнитель

Сплав АВ ГОСТ Т2592-67 Проволока ВНС-9 (0=0,15 мм) 18х15Н5АМЗ, ТУ-4-850-77

65-85, % объема 15-40*, % объема

*- содержание упрочнителя составляет 15, 25, 40 объемные процентов для материалов КАС-1А]5, КАС-1А25, КАС-1А40 соответственно; с^дврЗОО МПа, Рв(внс-9)=3600 МПа.

Методами локально спектрального анализа и электронной микроскопии в композите не обнаружено заметного количества интерметаллидных фаз как в исходном состоянии, так и после нагрева до 500° С в течении 100 часов.

Механические свойства материала КАС-1А определяются свойствами

/6г

упрочняющей его проволоки, все удельные характеристики хорошо согласуются с расчетными данными и намного выше, чем у стандартных алюминиевых сплавов. Некоторые характеристики композиции при различных температурах приведены в таблицах 1.10-1.11.

Таблица 1.10.

Механические свойства при комнатной температуре (при растяжении)

Материал КАС-1А15 КАС-1А25 КАС-1А40

Полуфабрикат Толщина, мм Состояние лист 0,6-3,0 Т1 лист 0,6-3,0 Т1 лист 0,6-3,0 Т1

Направление вырезки образца вдоль поперек вдоль поперек вдоль поперек

ав, МПа 800-850 280-290 1000-1100 200-220 1500-1550 150-180

% 3-3,5 4-5 2-3 4-5 2-3 4-5

ач, МПа 270-330 - 340-370 - 420-460 -

ЧВ/у, км 23-24,7 - 25,1-27,6 - 31,6-32,7 -

Примечание: оц - циклическая прочность при числе циклов Ы=107.

Дополнительные испытания позволили для КАС-1А25 найти следующие характеристики: Е2=10000 МПа; V;2=0,22; 1/27=0,33; /42=0,34.

Таблица 1.11.

Механические свойства при высоких температурах (при растяжении)

Материал КАСТ А] 5 КАС-1А25 КАС-1Аю

Полуфабрикат Толщина, мм Состояние лист 0,8-3,0 Т1 лист 0,8-3,0 Т1 лист 0,8-3,0 Т1

Направление вырезки образца вдоль вдоль вдоль

Температура испытания, С 200 300 400 200 300 400 200 300 400

<7В, МПа 720 565 430 950 820 590 1460 1200 900-1000

% 3,8 4,2 5,0 зд 3,5 3,5 2,2 2,4 2,6

/г

1.2. Вопросы механики композиционных материалов

Вопросы механики композиционных материалов освещены во многих научных трудах /4-8/ и др. В них охвачен широкий круг проблем, связанных с особенностями строения и поведения композиционных материалов при деформировании, а также отражены тенденции их развития. Как отмечено в работе 191, к аналитическому изучению упругопластического поведения композитов можно подходить с различным уровнем требований точности моделирования.

Так, в начале, используются простейшие модели, которые дают качественное описание ранее неизвестного поведения материала. В дальнейшем модели усложнились и они могли ответить на больший круг вопросов и дать уже численные результаты.

Из множества вопросов поведения композитов, нас интересует, в основном, два:

1) определение полей напряжений и деформаций;

2) физико-механические свойства композиции, а также характер и момент ее разрушения.

Рассмотрим существующие подходы к их разрушению. В первом случае, для расчета напряжено-деформированного состояния гетерогенные материалы, к которым и относятся композиты, идеализируются как эквивалентные гомогенные материалы. Это означает переход к однородной, но анизотропной среде. Таким образом, напряженно-деформированное состояние композиционных структур может быть достаточно точно, определено с помощью теорий упругости и пластичности анизотропных сред /4, 5/.

Для определения физико-механических свойств композита используются два подхода: механистический и феноменологический /6/.

При механистическом подходе свойства композита связывают со свойствами компонентов. Этот подх�