автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Сверхпластическая формовка пространственных оболочек

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

СВЕРХПЛАСТИЧЕСКАЯ ФОРМОВКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2013

005546296

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Панченко Евгений Васильевич

Официальные оппоненты: Талалаев Алексей Кириллович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор кафедры «Технологии полиграфического производства и защиты информации»

Булычёв Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент, ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения», главный специалист

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Государственный университет —

учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орёл)

„ ОО

Защита состоится «20» 2013 г. в {£_ час. на заседании

диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, ГСП, просп. Ленина, д. 92, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан « /У » ОКТЯ&^Я 2013 г.

Ученый секретарь черняев Алексей Владимирович диссертационного совета.'----

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в машиностроении и авиастроении существует необходимость разработки новых технологий, обеспечивающих повышение производительности труда, снижение энерго- и материалоемкости, при этом необходимо, чтобы изготовленная продукция соответствовала всем техническим требованиям, соответствующих машиностроительных и авиакосмических производств.

В ряде отраслей машиностроения и авиастроения находят широкое применение оболочки различной геометрической формы (обтекатели, корпуса отсеков, емкости, патрубки и др.), несущие в процессе эксплуатации высокие нагрузки. Как правило, эти изделия изготавливают из труднодеформируемых сплавов (ВТбс, ВТЗ-1, ВТ14, АМгЗ, АМгб и др.), что создает определенные технологические трудности.

Одним из эффективных методов получения сложнопрофильных оболочек из листовых и трубных заготовок является сверхпластическая формовка. Достоинством этого метода является возможность получения за одну технологическую операцию значительных степеней деформации и обеспечение высокой точности изделий сложных геометрических форм. Преимущества процесса особенно проявляются в условиях мелкосерийного и серийного производства крупногабаритных изделий, т.к. сверхпластическая формовка исключает использование дорогостоящего и громоздкого кузнечно-штамповочного оборудования.

Актуальной задачей является создание научно-обоснованного подхода к определению технологических режимов сверхпластической формовки деталей пространственных форм из труднодеформируемых сплавов, учитывающего трехмерный характер течения нелинейно-вязкого материала, действие сил контактного трения и позволяющего прогнозировать геометрические параметры формуемых деталей. Решение этой задачи возможно на основе применения современных методов математического моделирования, которые позволяют повысить производительность процесса подготовки производства и снизить затраты энергетических и материальных ресурсов.

Целью работы является повышение эффективности разработки технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформ-руемых сплавов на основе создания научно-обоснованного подхода к определению технологических параметров формоизменения листовых и трубных заготовок и прогнозированию геометрических параметров деталей.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработка конечно-элементной математической модели деформирования газовой средой заготовки, учитывающей трехмерный характер течения деформируемого материала и контактное трение между заготовкой и поверхностью формообразующей матрицы.

2. Разработка алгоритма расчета режимов нагружения и программного

комплекса для математического моделирования процессов сверхпластической формовки.

3. Выполнение теоретических исследований процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

4. Разработка на основе теоретических исследований схемы формообразования полусферических оболочек с минимальной величиной разнотолщинно-сти стенки.

5. Разработка рекомендаций по проектированию технологических процессов сверхпластической формовки.

Объект исследования; Процессы изотермического деформирования труднодеформируемых сплавов в режиме сверхпластичности.

Предмет исследования: Сверхпластическая формовка трехмерных пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок выполнены с применением основных положений механики деформируемого твердого тела, теории пластического течения, аналитической геометрии и метода конечных элементов. Анализ технологических операций формообразования изделий реализован в разработанном программном комплексе для математического моделирования процессов сверхпластической формовки.

Автор защищает:

1. Предложенную математическую модель процесса деформирования заготовки из нелинейно-вязкого материала давлением газовой среды и разработанный на ее основе программный комплекс для конечно-элементного моделирования процессов сверхпластической формовки.

2. Результаты теоретических исследований формоизменения листовых и трубных заготовок из труднодеформируемых сплавов (АМгб, ВТбс), установленные режимы деформирования и геометрические параметры формуемых изделий для различных условий контактного трения.

3. Предложенный способ уменьшения разнотолщинности стенки полусферических оболочек и разработанную на его основе математическую модель формоизменения листовой заготовки из сплава ВТбс.

4. Рекомендации по разработке технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых сплавов и конструкции устройств для формообразования сложнопрофильных изделий из трубных заготовок и полусферических оболочек из листовых заготовок с разнотолщинно-стью стенки в меридиональном сечении не более 15%.

Научная новизна.

Установлены качественные и количественные характеристики распределения степени деформации и утонения стенки, характер кривых нагружения заготовок давлением газовой среды для различных условий контактного трения в исследованных процессах формообразования деталей различных геометрических форм на основе разработанной математической модели процесса деформирования заготовки из нелинейно-вязкого материала давлением газовой сре-

ды, учитывающей трехмерный характер течения материала, действие сил трения на заранее неизвестной контактирующей поверхности и позволяющей рассчитывать режимы нагружения с учетом изменения пространственного положения опасных зон заготовки.

Достоверность. Обеспечивается строгостью математической постановки задачи, обоснованным использованием известных теоретических зависимостей и математических методов, многократным тестированием разработанных алгоритмов, сравнением тестовых решений с известным аналитическим решением и сопоставлением результатов расчетов с независимыми экспериментальными данными.

Практическая значимость:

1. Разработан программный комплекс для математического моделирования процессов сверхпластической формовки трехмерных пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

2. Предложена технологическая схема сверхпластической формовки полусферических оболочек, позволяющая значительно сократить разнотолщин-ность стенки, которая характерна для типовой схемы формообразования полусфер.

3. Разработаны конструкции устройств и предложены технологические рекомендации для сверхпластической формовки изделий из листовых и трубных заготовок.

Реализация работы:

1. Результаты исследований, включающие оригинальный программный комплекс математического моделирования процессов сверхпластической формовки, рекомендованы к использованию в опытном производстве ООО НЛП «Вулкан-ТМ», а также в опытном производстве ООО «Ротор-инженеринг».

2. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование», бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» ТулГУ.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных конференциях XXXV, XXXVIII «Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2009, 2012 гг.); МНТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ,^ 2009 г.); студенческой МНТК «Научному прогрессу творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, Марийский ГТУ, 2009 г.); Второй Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2009 г.); ВНТК «Авиакосмические технологии» (г. Москва - Воронеж, 2009 г.), XI Республиканской студенческой научно-технической конференции «Новые материалы и технологии их обработки» (г. Минск, БНТУ, 2010 г.), ВНПК «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (г. Красноярск, Сиб. гос. аэро-космич. ун-т, 2010 г.), ХХП1 Международной инновационно-ориентированной

конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС - 2011» (г. Москва, ИМАШ РАН, 2011 г.), I МНПК «Актуальные проблемы современной науки: Свежий взгляд и новые подходы» (г. Йошкар-Ола, Приволжский научно-исследовательский центр, 2012 г.), а также на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2009 — 2013 гг.).

Автор является дипломантом открытого конкурса МИНОБРНАУКИ на лучшую научную работу среди ВУЗов РФ и стран СНГ, стипендиат Правительства РФ.

Публикации. За время подготовки диссертации опубликовано 20 научных работ, среди них один патент на полезную модель РФ, 11 статей в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, 2 статьи в межвузовских сборниках научных трудов, 6 работ в сборниках тезисов докладов Международных и Всероссийских научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы из 96 наименований, приложений и содержит 172 страницы машинописного текста, включая 102 рисунка и 10 таблиц.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертационной работы.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процессов сверхпластической формовки. Отмечается достаточное большое число математических моделей формообразования оболочек, основанных на применении аналитических и численных методов расчета. Сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Отмечено, что разработка технологических процессов сверхпластической формовки, основанная на эмпирическом подходе определения режимов деформирования, характеризуется большими материальными и временными затратами, вследствие того, что деформируемый материал проявляет способность к сверхпластической деформации только при соблюдении строго определенных условий деформирования.

Важными параметрами технологических процессов сверхпластической формовки являются: потребное давление формующей среды, время формовки и температура формовки. Температура формовки определяется для каждого сплава экспериментальными методами, давление газовой среды и время формовки можно определить теоретическими методами. Как правило, для анализа процессов сверхпластической формовки используют либо аналитические методы, либо численное моделирование на основе метода конечных элементов.

Отмечено, что вопросы теории и технологии сверхпластической формовки (изотермической пневмоформовки) сложнопрофильных изделий из трудно-деформируемых материалов получили развитие в трудах A.M. Африкантова, P.A. Васина, У. Джонсона, Ф.У. Еникеева, A.A. Круглова, Р.Я. Лутфуллина, Е.В. Панченко, В.К. Портного, И.П. Ренне, Р.В. Сафиуллина, О.М. Смирнова,

Я.А. Соболева, М.А. Цепина, E.H. Чумаченко, С.П. Яковлева, С.С. Яковлева и др.

Аналитические методы расчета задач сверхпластической формовки, как правило, основаны на совместном решении уравнений равновесия тонкостенной оболочки, условия текучести Мизеса и механического уравнения состояния сверхпластичного материала. Установлено, что в работах, посвященных разработке аналитических методов расчета процессов сверхпластической формовки, не учитывается влияние сил контактного трения.

Отмечено, что на основе метода конечных элементов различные фирмы разработали и развивают программные комплексы для моделирования процессов обработки материалов давлением. Многие программные продукты являются универсальными и «тяжелыми», что с одной стороны является большим плюсом, т.к. они позволяют моделировать большинство процессов обработки материалов давлением. С другой стороны, универсальность существенно затрудняет адаптирование программного комплекса для математического моделирования процессов сверхпластической формовки, а в некоторых случаях и вовсе отсутствует возможность моделирования этих процессов.

Также отмечено, что большинство научных работ посвящено разработке методов решения технологических задач и исследованиям процессов сверхпластической формовки в плоской или осесимметричной постановке.

Второй раздел посвящен разработке математической модели деформирования газовой средой заготовки из нелинейно-вязкого материала, учитывающей трехмерный характер напряженно-деформированного состояния и действие сил контактного трения.

Для разработки математической модели медленного горячего формоизменения заготовок газовой средой приняты следующие соотношения:

1. Дифференциальные уравнения равновесия

5й0' (1)

ОХ j

где сту - компоненты тензора напряжений; Xj - оси системы координат.

2. Соотношения Коши

' дщ duj

р.. = — ■ Чу 2

ди; + ■

дх; д.Xj

(2)

V У

где - компоненты тензора скоростей деформации; щ - проекции вектора

скорости перемещения на оси координат.

3. Уравнения связи девиатора напряжений и девиатора (тензора) скоростей деформации

Бу=2)1-Ц, (3)

где 5,у - компоненты девиатора напряжений; ц - эффективная сдвиговая вязкость;

4. Условие несжимаемости

Ьу=Ц-Ьу=й, (4)

где - скорость объемной деформации; 5 у - дельта Кронекера.

В качестве граничных условий использованы следующие соотношения:

1. На поверхности 5СТ:

где - проекции полного напряжения на оси координат; и,- - вектор единичной нормали; сг„ - нормальное напряжение; р - давление газовой среды.

2. На поверхности Би :

щ = и,- *, (6)

где щ * - заданные скорости перемещения.

3. На поверхности 5СТИ:

тр=-т/-/р; мгя,-=С/„ (7)

где тр - проекции вектора напряжения трения на оси координат ( Р = х', у'), лежащие в плоскости, касательной к поверхности формообразующего инструмента в точке контакта его с заготовкой; ту - модель контактного трения; /р - направляющие косинусы между вектором относительной скорости скольжения контактирующей точки и осями х', у'; II„ - нормальная скорость перемещения

подвижного элемента оснастки.

На основе соотношений (1) - (7), уравнений метода конечных элементов и принципа возможных изменений деформированного состояния построена математическая модель медленного горячего деформирования заготовки газовой средой.

Базовая система уравнений разработанной математической модели выглядит следующим образом

Х(К1+К2)-У = Х(Р1 + Е2),

е/ е1

где V - вектор скоростей перемещения узлов расчетной области.

К! = е£ ¿гц.В^.Б.В.ае^)Л ) (с) я,-яух ¡=1/=и=1 . 1

т т т ( „ \ ( т ^ хнк+ку.ьт. х(вг-н>(нг-в (с) (с ) (с ) HrHj.Hk ; ¿=17=1 к=\ 1 1 1

К2=24-Ь1+2^„-Т1Г-Т1;

Рх = ££сг-р¥2 = 21^-ит+2кп-т2г.и„,

,=1/=1

где D = diag{l 1 1 0,5 0,5 0,5); В - матрица дифференциального оператора; с!ег1 - якобиан; (^Д, (Сз)^ - точки интегрирования Гаусса; п, т -порядок интегрирования; Я,-, Hj, Н^ - весовые коэффициенты; Ку - большое

положительное число, необходимое для соблюдения условия несжимаемости; НГ = {1 1 1 О О О}; Кп — большое положительное число для обеспечения условия непроницаемости; С - матрица интерполяционных функций; р — вектор приложенной внешней нагрузки; 1^2, Т[, Т2 — матрицы, необходимые для описания контактного трения и непроницаемости материала заготовки в тело инструмента; 11х, и„ - соответственно векторы касательных и нормальных скоростей перемещения инструмента (подвижного элемента оснастки) в точках контакта с узлами конечного элемента.

\2 / ,, \2 / „ \2 / „ \2

аг

Е =

дх

+

;<? =

г дх^1

+

Ъг)

дг

дх ду ду дг

х,у,г - оси декартовой системы координат; ^, ¿¡2> ~ оси нормализованной системы координат.

На основе разработанных математической модели и алгоритмов разработан программный комплекс для решения трехмерных задач сверхпластической формовки. Программный комплекс состоит из модуля подготовки исходных данных, расчетного ядра и модуля визуализации результатов математического моделирования. Для моделирования формообразующего инструмента и других элементов оснастки программный комплекс использует твердотельные модели, созданные в САБ-системах.

В третьем разделе представлены результаты теоретических исследований процессов сверхпластической формовки различных изделий из листовых и трубных заготовок. В разработанном программном комплексе созданы трехмерные математические модели процессов сверхпластической формовки детали типа «поддон», однослойной оболочки типа «стенка с квадратными ячейками» из титанового сплава ВТбс и детали типа «труба с продольными рифтами» из сплава АМгб. Для формообразования рассмотренных деталей рассчитаны графики нагружения заготовки давлением газовой среды, обеспечивающие ведение процесса деформирования с постоянной эквивалентной скоростью деформации = 0,0008 с"1 для ВТбс, = 0,002 с"1 для АМгб). Установлено влияние применяемых при моделировании условий контактного трения на технологические параметры формообразования деталей, напряженно-деформированное состояние заготовки и характер распределения утонений в готовом изделии. Для описания контактного взаимодействия использованы законы трения Прандтля и А.Н Леванова.

На рис. 1 представлена конечная форма детали типа «поддон», которая была рассчитана в результате математического моделирования. При применении модели трения А.Н. Леванова с величиной фактора трения /иу = 0,4 максимальная степень пластической деформации составляет около 57,7% (рис. 1, а). Наибольшая деформация накапливается в зоне перехода фланца в боковую

стенку (позиция 1, рис. 1, а) и области сопряжения боковой стенки и донной части детали (позиция 2, рис. 1, а). При применении модели трения А.Н. Лева-нова с величиной фактора трения ту = 0,8 максимальная степень накопленной

деформации составляет около 64,5%, которая накапливается в области сопряжения боковой стенки и донной части детали (позиция 2, рис. 1,6).

б) модель А.Н. Леванова (ту =0,8,)

в) модель Прандтля (ту = 0,4) г) модель Прандтля (ту = 0,8)

Рис. 1. Распределение степени деформации по объему детали Также можно отметить, что для величины фактора трения ту =0,4 характерно более равномерное распределение степени деформации по деформируемому объему заготовки, чем для ту = 0,8. При применении модели трения

Прандтля для значений фактора трения ту = 0,4 и ту = 0,8 максимальная степень деформации соответственно составляет 75,4% и 81,5%, которая накапливается в области заготовки, отмеченной позицией 2 (рис. 1, в, г).

На рис. 2 представлены стадии формообразования трубы с продольными рифтами из сплава АМгб при температуре 420 "С. На стадии свободной формовки наиболее напряженной областью заготовки является зона, располагающаяся вдоль боковой стороны формирующегося рифта (время 300 с, рис. 2). Эквивалентное напряжение в этой области составляет около 17,1 МПа. Во всем остальном деформируемом объеме заготовки эквивалентное напряжение составляет около 12,5... 13,2 МПа. В конце процесса формообразования детали наиболее напряжены точки заготовки, расположенные на краях формирующегося рифта (время 645 с, рис. 2). Эквивалентное напряжение в этих точках составляет около 17,4 МПа.

= 0,4;

а) модель А.Н. Леванова (ту

а) схема детали с указанными разрезами ——' ——1

в) модель трения А.Н. Леванова, mj = 0,8

Рис. 3. Изменение толщины стенки детали

В сечении А-А можно выделить две области, в которых заготовка получает наибольшее утонение. К ним относятся зона угла ячейки и область, примыкающая к радиусной кромке матрицы. В сечении Б-Б максимальное утонение стенки происходит в зоне трехмерного угла.

Четвертый раздел посвящен разработке технологической схемы формообразования полусферы, обеспечивающей минимальную разнотолщинность стенки.

Установлено, что при применении типовой схемы формообразования полусферы из сплава ВТбс разнотолщинность составляет около 50%. Максимальная степень деформации накапливается в полюсе оболочки и составляет 107%.

Предложена новая технологическая схема формообразования полусферы, которая является модификацией двухоперационной формовки с реверсом. Суть предложенного метода в следующем. На первой операции необходимо создать

время 300 с время 645 с

Рис.2. Распределение эквивалентного напряжения по объему заготовки (трение А.Н. Леванова, mj = 0,8)

На рис. 3 представлены схемы, иллюстрирующие изменение толщины стенки ячейки в сечениях А-А и Б-Б детали типа «стенка с квадратными ячейками».

, , . ось uemrpai

ось центра Д. А \ ! Б-Б

"S °'47 N

б) модель трения А.Н. Леванова, ту

ось

= 0,4

полуфабрикат, у которого толщина стенки уменьшается от наибольшей величины в полюсе до минимального значения в периферийной области. При этом необходимо, чтобы область наименьшей толщины соответствовала зоне полусферы, примыкающей к защемленному фланцу.

Для достижения вышесказанного результата необходимо выполнение условия Яд > Я (рис. 4). На второй операции происходит реверсивная формовка полученного полуфабриката. На этой операции под действием давления газовой среды заготовка «выворачивается». В конечном итоге, благодаря созданной

Рис. 4. Схема тормозящего вкладыша

на первой операции разностенности, неравномерность распределения толщины стенки в готовой детали уменьшается.

В разработанном программном комплексе создана математическая модель предложенной технологической схемы формообразования полусферической оболочки из сплава ВТбс. На основе теоретического анализа процесса формообразования детали определена наиболее оптимальная геометрия тормозящего вкладыша (рис. 4). При применении предложенной схемы формообразования полусферы степень деформации распределяется по объему конечной оболочки более равномерно,

0,7

0 20

Рис. 5. Изменение толщины стенки:

1 — типовая схема формовки;

2 - схема формовки с применением

сферического вкладыша;

3 — схема формовки с применением

вкладыша (рис. 4).

при этом максимальная степень деформации составляет около 66,5%. Также установлено, что предложенная схема формообразования дает разнотолщинность стенки в меридиональном сечении полусферы не более 15%. Толщина стенки учитывалась в точках, определяемых углом а >10° (угол а отсчитывается от горизонтальной оси в меридиональном сечении оболочки) (рис. 5).

В пятом разделе предложена комплексная методика проектирования технологических процессов сверхпластической формовки, на одном из этапов которой применяется математическое моделирование процессов формовки в разработанном программном комплексе. Рассмотрены схемы систем подачи газовой среды, обеспечивающих ведение процесса формовки изделий согласно рассчитанному режиму нагружения. Предложено устройство для получения сверхпластической формовкой сложнопрофильных оболочек из трубных заго-

товок. Предложена конструкция пггампового блока для двухпереходной формовки крупногабаритных полусферических оболочек с разнотолщинностью стенки в меридиональном сечении изделия не более 15%. Рассмотрены схемы герметизации трубных и листовых заготовок. Предложены рекомендации по проектированию технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых алюминиевых и титановых сплавов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, имеющая важное значение для машино- и авиастроения и состоящая в создании научно-обоснованного подхода к определению технологических режимов сверхпластической формовки деталей пространственных форм из труднодеформируемых сплавов, учитывающего трехмерный характер течения нелинейно-вязкого материала, действие сил контактного трения и позволяющего прогнозировать геометрические параметры формуемых деталей.

Основные выводы и результаты, полученные при подготовке диссертационной работы:

1. На основе метода конечных элементов разработана математическая модель деформирования заготовки из нелинейно-вязкого материала газовой средой. Математическая модель описывает трехмерное течение деформируемого материала и учитывает действие сил трения на заранее неизвестной контактирующей поверхности.

Разработан оригинальный метод определения контактирующих зон заготовки с формообразующим инструментом, позволяющий реализовать его эффективное применение при трехмерном моделировании процессов сверхпластической формовки.

2. Разработанный алгоритм расчета режима нагружения заготовки давлением газовой среды обеспечивает формообразование детали заданной геометрии в режиме сверхпластичности и позволяет рассчитывать закон нагружения заготовки с учетом того, что в процессе формообразования детали опасные зоны заготовки могут изменять свое положение в пространстве.

3. Созданный на основе разработанных математической модели и алгоритмов программный комплекс позволяет проводить конечно-элементное моделирование трехмерных процессов сверхпластической формовки. Результаты тестовых решений достаточно точно согласуются с известным аналитическим решением и независимыми экспериментальными данными.

4. Выполнен теоретический анализ процессов формообразования типовых деталей. Для различных условий контактного трения рассчитаны кривые нагружения заготовки давлением газовой среды. Показано распределение накопленной степени деформации, эквивалентной скорости деформации и эквивалентного напряжения по объему заготовки.

Проанализировано напряженно-деформированное состояние в выбранных точках заготовки, что позволило оценить изменение эквивалентной скорости деформации, эквивалентного напряжения и степени деформации в процессе

формоизменения. Выполнен теоретический прогноз изменения толщины стенки в характерных сечениях отформованных деталей, что позволило определить неравномерность изменения толщины стенки.

5. Установлено, что на стадии заполнения угловых элементов формообразующей матрицы необходим интенсивный рост давления газовой среды до значений 4,5...5,8 МПа, что в 1,8... 11,6 раз больше максимального давления при свободном формоизменении. Рост давления деформирующей среды обусловлен необходимостью формирования угловых элементов деталей с постоянной эквивалентной скоростью деформации (Е,е =0,0008 с"1 для ВТбс, = 0,002 с"1 для АМгб).

6. Установлено, что при применении модели трения А.Н. Леванова напряжение контактного трения при прочих равных условиях меньше, чем при применении закона трения Прандтля. Показано, что на определенном этапе деформирования для модели трения А.Н. Леванова с величиной фактора трения оту = 0,4 характерно интенсивное накопление деформации в области кромки

матрицы, что приводит к утонению стенки в этой зоне заготовки. При величине фактора трения ту = 0,8 интенсивность накопления деформации меньше. При

применении закона трения Прандтля деформация в области кромки матрицы в основном накапливается при свободном изгибе этой зоны заготовки. При контакте заготовки с кромкой формообразующей матрицы интенсивность накопления степени деформации в этой зоне незначительная.

7. В разработанном программном комплексе создана математическая модель двухоперационной формовки, позволяющей снизить разнотолщинность стенки формуемой полусферической оболочки. На основе теоретического анализа процесса формовки полусферической оболочки определены наиболее оптимальные технологические параметры предложенного способа уменьшения разнотолщинности стенки. Рассмотренная схема формообразования полусферы позволяет уменьшить разнотолщинность стенки в меридиональном сечении оболочки до 14... 15%.

8. Предложены рекомендации по разработке технологических процессов сверхпластической формовки изделий из листовых и трубных заготовок и устройство для формовки сложнопрофильных изделий из трубных заготовок. На предлагаемое устройство для получения оболочек из трубных заготовок получен патент на полезную модель РФ.

Разработана схема штампового блока для двухпереходной формовки полусферических оболочек, обеспечивающей разнотолщинность стенки в меридиональном сечении изделия не более 15%.

9. Результаты исследований, включающие оригинальный программный комплекс конечно-элементного моделирования процессов сверхпластической формовки, рекомендованы к использованию в опытном производстве ООО Н11Н «Вулкан-ТМ», а также в опытном производстве ООО «Ротор-инженеринг». Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» Тульского

государственного университета.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алексеев П.А., Туркин К.А., Конечноэлементное моделирование процессов сверхпластического деформирования в матрицу Н Сборник научных трудов Второй Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М.: МГТУ им. Баумана. Ч. 1. 2009. С. 62 — 63.

2. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Моделирование технологической операции сверхпластической формовки трубной заготовки // Сборник научных трудов Международной НТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения». Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. Ч. 2. С. 41 - 44.

3. Алексеев П.А., Туркин К.А., Семёнова P.O. Сверхпластическая формовка заготовок с функциональным рельефом // Сборник научных работ XI Республиканской студенческой научно-технической конференции «Новые материалы и технологии их обработки». Минск: БНТУ. 2010. С. 124 - 125.

4. Алексеев П.А., Панченко Е.В., Туркин К.А., Семёнова P.O. Моделирование процесса получения сверхпластической формовкой сложно-профильной оболочки из трубной заготовки // Технология машиностроения. 2010. №8. С. 57 - 59.

5. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Моделирование процесса формообразования осесимметричной оболочки в режиме сверхпластичности // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 181 - 185.

6. Алексеев П.А., Алексеев Д.А., Пасько А.Н. Моделирование контакта инструмента с заготовкой в трехмерных задачах обработки металлов давлением // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 173 -176.

7. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Математическое моделирование сверхпластической формовки сложнопрофильных изделий из трубных заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. №3. С. 15-16.

8. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Моделирование трехмерного течения вязкопластических материалов, деформируемых газовыми средами // Куз-нечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2011. №2. С. 39-42.

9. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Конечно-элементный подход к определению режимов деформирования при сверхпластической формовке сложно-профильных оболочек И Вестник ТулГУ. Серия актуальные вопросы механики. 2011. Вып. 7. С. 124-128.

10. Алексеев П.А., Туркин К.А. Моделирование технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых сплавов // Сборник научных трудов ХХШ Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС -2011». М.: Изд-во ИМАШ РАН. 2011. С. 154.

11. Алексеев П.А., Панченко E.B. Конечно-элементный подход к решению технологических задач сверхпластической формовки // Автоматизация и современные технологии. 2011. №7. С. 7 - 9.

12. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Метод расчета формообразования тонкостенных оболочек в режиме сверхпластичности // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2011. №10. С. 16 - 20.

13. Алексеев П.А. Программный комплекс для моделирования процессов М^П™ЧттК?-Й ф0рМ0вки 11 Сб°Р™к ручных трудов Международной

Í Га?РИНСКИе чтения>>" М-: МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского.

■¿diz. i. i.e. 126 — 127.

14. Алексеев П.А., Туркин К.А. Применение математического моделирования при разработке технологических процессов сверхпластической формовки тонкостенных оболочек // Сборник материалов I Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки- Све-жии взгляд и новые подходы». 2012. Ч. 1. С. 49 - 51

15. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Моделирование трехмерных задач сверхпластической формовки тонкостенных оболочек // Кузнечно-С.Т28М-32°ЧНОе ПР0НЗВ0ДСТВ0- Обработка материалов давлением. 2012. №3.

16. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Влияние контактного трения на формообразование тонкостенных оболочек в режиме сверхпластичности //

2Í1T.T7! С 37^ГОЧНОе Пр°ИЗВОЯСТВО- Обработка материалов давлением.

17. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Подход к решению трехмерных задач сверхпластической формовки с учетом контактного трения // Известия 1ул1 У. Технические науки. 2012. Вып. 8. С. 203 - 210

18. Алексеев П.А., Панченко Е.В., Туркин К.А.Анализ формоизменения заготовок при сверхпластической формовке пространственных оболочек // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №12. С. 22 -

,пп 19' RU122,050U1' Мгж B21D 26/02- Устройство для получения сложнопрофильных оболочек из трубных заготовок в состоянии сверхпластичности/ Панченко Е.В., Алексеев П.А., Туркин К.А. и др. - Опубл. 20 11.2012. -

Подписано в печать 0£./й./З, Формат бумаги 60 х 84 /16 . Бумага офсетнм. Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ОЧ?

Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 97а.

Тульский государственный университет

На правах рукописи

04201364709

АЛЕКСЕЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

СВЕРХПЛАСТИЧЕСКАЯ ФОРМОВКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

ОБОЛОЧЕК

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Е.В. Панченко

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................4

1. История развития и современное состояние исследований эффекта сверхпластичности и сверхпластической формовки.........................................11

1.1. Первые сообщения об эффекте сверхпластичности...................................11

1.2. Современное состояние исследований эффекта сверхпластичности.......13

1.3. Характерные особенности сверхпластического состояния металлов......16

1.4. Основные технологические схемы процессов сверхпластической формовки................................................................................................................19

1.5. Теоретические исследования процессов сверхпластической формовки..20

1.5.1. Основные реологические модели сверхпластичных материалов..........21

1.5.2. Обзор теоретических исследований процессов сверхпластической формовки................................................................................................................23

1.6. Цель и задачи диссертационной работы......................................................30

2. Разработка математической модели и метода решения задач сверхпластической формовки..............................................................................32

2.1. Постановка задачи о течении нелинейно-вязкого материала....................32

2.2. Разработка конечно-элементной модели течения нелинейно-вязкого материала................................................................................................................34

2.3. Моделирование контактного взаимодействия заготовки с формообразующим инструментом......................................................................46

2.4. Определение напряженно-деформированного состояния заготовки.......50

2.5. Расчет давления газовой среды.....................................................................52

2.6. Алгоритм и программный комплекс моделирования процессов сверхпластической формовки..............................................................................55

2.7. Решение тестовых задач................................................................................59

2.8. Основные результаты и выводы...................................................................66

3. Теоретический анализ трехмерных процессов сверхпластической формовки с учетом влияния действия сил трения..................................................................68

3.1. Формообразование детали типа «поддон» из листовой заготовки...........68

3.1.1. Формообразование детали при Н/С = 0,22...............................................69

шииирлзишпис Д^ЮЛ*! при.— ...............................................

)мообразование детали при Н/С = 0,42...............................................

лиз результатов математического моделирования...........................

ообразование трубы с продольными рифтами..................................

ообразование однослойной оболочки типа стенки с квадратными ...............................................................................................................1

вные результаты и выводы.................................................................1

1тическое моделирование процессов сверхпластической формовки ых полусферических оболочек..........................................................1

Заключение.............

Список литературы Приложение............

163 173

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время в машиностроении и авиастроении существует необходимость разработки новых технологий, обеспечивающих повышение производительности труда, снижение энерго- и материалоемкости, при этом необходимо, чтобы изготовленная продукция соответствовала всем техническим требованиям, соответствующих машиностроительных и авиакосмических производств.

В ряде отраслей машиностроения и авиастроения находят широкое применение оболочки различной геометрической формы (обтекатели, корпуса отсеков, емкости, патрубки и др.), несущие в процессе эксплуатации высокие нагрузки. Как правило, эти изделия изготавливают из труднодеформируемых сплавов (ВТбс, ВТЗ-1, ВТ14, АМгЗ, АМгб и др.), что создает определенные технологические трудности.

Одним из эффективных методов получения сложнопрофильных оболочек из листовых и трубных заготовок является сверхпластическая формовка. Достоинством этого метода является возможность получения за одну технологическую операцию значительных степеней деформации и обеспечение высокой точности изделий сложных геометрических форм. Преимущества процесса особенно проявляются в условиях мелкосерийного и серийного производства крупногабаритных изделий, т.к. сверхпластическая формовка исключает использование дорогостоящего и громоздкого кузнечно-штамповочного оборудования.

Актуальной задачей является создание научно-обоснованного подхода к определению технологических режимов сверхпластической формовки деталей пространственных форм из труднодеформируемых сплавов, учитывающего трехмерный характер течения нелинейно-вязкого материала, действие сил контактного трения и позволяющего прогнозировать геометрические параметры формуемых деталей. Решение этой задачи возможно на основе применения современных методов математического моделирования, которые позволяют по-

высить производительность процесса подготовки производства и снизить затраты энергетических и материальных ресурсов.

Целью работы является повышение эффективности разработки технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформ-руемых сплавов на основе создания научно-обоснованного подхода к определению технологических параметров формоизменения листовых и трубных заготовок и прогнозированию геометрических параметров деталей.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработка конечно-элементной математической модели деформирования газовой средой заготовки, учитывающей трехмерный характер течения деформируемого материала и контактное трение между заготовкой и поверхностью формообразующей матрицы.

2. Разработка алгоритма расчета режимов нагружения и программного комплекса для математического моделирования процессов сверхпластической формовки.

3. Выполнение теоретических исследований процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

4. Разработка на основе теоретических исследований схемы формообразования полусферических оболочек с минимальной величиной разнотолщинно-сти стенки.

5. Разработка рекомендаций по проектированию технологических процессов сверхпластической формовки.

Объект исследования: Процессы изотермического деформирования труднодеформируемых сплавов в режиме сверхпластичности.

Предмет исследования; Сверхпластическая формовка трехмерных пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок выполнены с применением основных положений механики деформи-

руемого твердого тела, теории пластического течения, аналитической геометрии и метода конечных элементов. Анализ технологических операций формообразования изделий реализован в разработанном программном комплексе для математического моделирования процессов сверхпластической формовки.

Автор защищает:

1. Предложенную математическую модель процесса деформирования заготовки из нелинейно-вязкого материала давлением газовой среды и разработанный на ее основе программный комплекс для конечно-элементного моделирования процессов сверхпластической формовки.

2. Результаты теоретических исследований формоизменения листовых и трубных заготовок из труднодеформируемых сплавов (АМгб, ВТбс), установленные режимы деформирования и геометрические параметры формуемых из*

делий для различных условий контактного трения.

3. Предложенный способ уменьшения разнотолщинности стенки полусферических оболочек и разработанную на его основе математическую модель формоизменения листовой заготовки из сплава ВТбс.

4. Рекомендации по разработке технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых сплавов и конструкции устройств для формообразования сложнопрофильных изделий из трубных заготовок и полусферических оболочек из листовых заготовок с разнотолщинно-стью стенки в меридиональном сечении не более 15%.

Научная новизна.

Установлены качественные и количественные характеристики распределения степени деформации и утонения стенки, характер кривых нагружения заготовок давлением газовой среды для различных условий контактного трения в исследованных процессах формообразования деталей различных геометрических форм на основе разработанной математической модели процесса деформирования заготовки из нелинейно-вязкого материала давлением газовой среды, учитывающей трехмерный характер течения материала, действие сил трения на заранее неизвестной контактирующей поверхности и позволяющей рас-

считывать режимы нагружеиия с учетом изменения пространственного положения опасных зон заготовки.

Достоверность. Обеспечивается строгостью математической постановки задачи, обоснованным использованием известных теоретических зависимостей и математических методов, многократным тестированием разработанных алгоритмов, сравнением тестовых решений с известным аналитическим решением и сопоставлением результатов расчетов с независимыми экспериментальными данными.

Практическая значимость:

1. Разработан программный комплекс для математического моделирования процессов сверхпластической формовки трехмерных пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

2. Предложена технологическая схема сверхпластической формовки полусферических оболочек, позволяющая значительно сократить разнотолщин-ность стенки, которая характерна для типовой схемы формообразования полусфер.

3. Разработаны конструкции устройств и предложены технологические рекомендации для сверхпластической формовки изделий из листовых и трубных заготовок.

Реализация работы:

1. Результаты исследований, включающие оригинальный программный комплекс математического моделирования процессов сверхпластической формовки, рекомендованы к использованию в опытном производстве ООО НПП «Вулкан-ТМ», а также в опытном производстве ООО «Ротор-инженеринг».

2. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование», бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» ТулГУ.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных конференциях XXXV, XXXVIII «Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2009, 2012 гг.); МНТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ, 2009 г.); студенческой МНТК «Научному прогрессу творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, Марийский ГТУ, 2009 г.); Второй Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2009 г.); ВНТК «Авиакосмические технологии» (г. Москва - Воронеж, 2009 г.), XI Республиканской студенческой научно-технической конференции «Новые материалы и технологии их обработки» (г. Минск, БНТУ, 2010 г.), ВНПК «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (г. Красноярск, Сиб. гос. аэро-космич. ун-т, 2010 г.), XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС - 2011» (г. Москва, ИМАШ РАН, 2011 г.), I МНПК «Актуальные проблемы современной науки: Свежий взгляд и новые подходы» (г. Йошкар-Ола, Приволжский научно-исследовательский центр, 2012 г.), а также на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2009 — 2013 гг.).

Автор является дипломантом открытого конкурса МИНОБРНАУКИ на лучшую научную работу среди ВУЗов РФ и стран СНГ, стипендиат Правительства РФ.

Публикации. За время подготовки диссертации опубликовано 20 научных работ, среди них один патент на полезную модель РФ, 11 статей в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, 2 статьи в межвузовских сборниках научных трудов, 6 работ в сборниках тезисов докладов Международных и Всероссийских научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы из 96 наименований, приложений и содержит 172 страницы машинописного текста, включая 102 рисунка и 10 таблиц.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертационной работы.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процессов сверхпластической формовки. Рассмотрены основные реологические модели, применяемые при решении технологических задач сверхпластической формовки. Отмечается достаточное большое число математических моделей формообразования оболочек, основанных на применении аналитических и численных методов расчета. Сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Второй раздел посвящен разработке математической модели деформирования газовой средой заготовки из нелинейно-вязкого материала, учитывающей трехмерный характер напряженно-деформированного состояния и действие сил контактного трения. Уделено внимание реализации в трехмерном пространстве нелинейных граничных условий на неизвестной заранее контактной поверхности. На основе разработанных математической модели и алгоритмов разработан программный комплекс для решения трехмерных задач сверхпластической формовки.

В третьем разделе представлены результаты теоретических исследований процессов сверхпластической формовки различных изделий из листовых и трубных заготовок. Установлено влияние применяемых при математическом моделировании условий контактного трения на технологические параметры процессов, напряженно-деформированное состояние заготовки и характер распределения утонений в готовом изделии.

Четвертый раздел посвящен разработке технологической схемы формообразования полусферической оболочки, обеспечивающей минимальную раз-нотолщинность стенки. Выполнен теоретический анализ предложенной схемы формообразования полусфер.

В пятом разделе предложена комплексная методика проектирования технологических процессов сверхпластической формовки. Рассмотрены схемы

систем подачи газовой среды, обеспечивающих ведение процесса формовки изделий согласно рассчитанному режиму нагружения. Предложено устройство для получения сверхпластической формовкой сложнопрофильных оболочек из трубных заготовок. Предложена схема штампового блока для двухпереходной формовки полусферических оболочек, обеспечивающей разнотолщинность стенки в меридиональном сечении изделия не более 15%. Рассмотрены рекомендации по проектированию технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых алюминиевых и титановых сплавов.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТА СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ И СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ

1.1. Первые сообщения об эффекте сверхпластичности

В 1934 году была опубликована работа преподавателя металлургии в Армстронг-Колледже (Великобритания) Пирсона [15]. Пирсон исследовал механическое поведение сплавов на основе олова: олово - свинец (Бп - РЬ) и олово - висмут (8п - В1). Из слитков 01,25 х 3 дюйма методом обратного выдавливания он получал пруток 0 0,25 дюйма. Цилиндрические образцы с размерами рабочей части 0 0,2 х 2 дюйма испытывались на растяжение при различных условиях нагружения и разном времени выдержки после выдавливания. Для сравнения испытывались аналогичные образцы, изготовленные из литой заготовки. Удлинение до разрыва при быстром приложении значительной нагрузки для сплава Бп - В1 составило 5% для литого материала и 35% - для полученного выдавливанием (экструдированного). В то же время при небольших напряжениях течения для литого состояния было получено удлинение 18%, а для полученного выдавливанием - от 400 до 652% в зависимости от времени выдержки после выдавливания.

Аналогичные результаты были получены и для сплава Бп - РЬ. Из полученных результатов следовало, что величина удлинения до разрыва растет по мере снижения нагрузки и уменьшения времени выдержки после выдавливания. Для достижения еще больших удлинений Пирсон предложил проводить испытание при постоянном напряжении течения. С этой целью он уменьшал величину приложенной к образцу нагрузки по мере уменьшения площади его поперечного сечения, что позволило достичь рекордного значения уд