Введение к работе
Актуальность темы. Перед машиностроением в настоящее время стоит задача повышения эффективности производства и качества получаемых изделий. Разработка новой техники, отдельные узлы которой работают в условиях высоких давлений, агрессивных сред и повышенных температур, связано с использованием высокопрочных материалов. Большинство деталей машиностроения изготавливается из листовых материалов, которые обрабатываются в режимах холодной и горячей штамповки.
В последнее время при изготовлении деталей аэрокосмической техники из листовых высокопрочных сплавов нашло применение деформирование в режиме кратковременной ползучести с предварительной или одновременной сваркой давлением. Медленное изотермическое деформирование позволяет значительно снизить силы деформирования и достичь больших степеней деформации.
При производстве элементов многослойных стрингерных конструкций летательных аппаратов цилиндрического, прямоугольного и трапециевидного сечений из анизотропного материала используют технологические принципы деформирования в режиме кратковременной ползучести листовых заготовок и сварки давлением.
Как правило, листовой материал, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при пластическом деформировании, реализуемом на традиционном прессовом оборудовании, а также при медленном деформировании, осуществляемом в режиме кратковременной ползучести.
Широкое внедрение в промышленность процессов медленного деформирования в режиме кратковременной ползучести элементов многослойных листовых конструкций летательных аппаратов с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами сдерживается недостаточно развитой теорией деформирования при повышенных температурах с учетом реальных свойств материала, позволяющей оценить напряженное и деформированное состояние заготовки, кинематику течения материала, предельные возможности формоизменения, силовые режимы и энергозатраты процесса.
Поэтому теоретическое обоснование выбора технологических режимов операций изотермического деформирования элементов многослойных листовых конструкций из высокопрочных анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести является актуальной, важной научно-технической задачей, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Работа выполнялась в соответствии с грантами Президента Российской Федерации на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований, государственными контрактами в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы Министерства образования и науки Российской Федерации, грантами РФФИ, научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы», государственным контрактам Министерства образования и науки Российской Федерации.
Цель работы. Повышение эффективности операций изотермического деформирования элементов многослойных стрингерных конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести из высокопрочных анизотропных материалов путем теоретического обоснования технологических режимов деформирования при кратковременной ползучести.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:
1. Разработать математические модели операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из материалов, обладающих плоскостной анизотропией механических свойств, в режиме кратковременной ползучести, позволяющих оценить деформированное и напряженное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности деформирования.
2. Выполнить теоретические исследования операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
3. Установить влияние анизотропии механических свойств, накопления повреждаемости, геометрических размеров заготовки и закона нагружения на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы и предельные возможности операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами.
4. Выполнить экспериментальные исследования операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
5. Разработать пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
6. Использовать результаты исследований в промышленности и в учебном процессе.
Объект исследования: Процессы изотермического деформирования анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
Предмет исследования: Изотермическая пневмоформовка элементов двух – и трехслойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
Методы исследования: Теоретические исследования операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами выполнены на основе теории кратковременной ползучести анизотропного материала. Предельные возможности формоизменения установлены на базе использования феноменологических критериев разрушения (энергетического и деформационного), связанных с накоплением микроповреждений, анизотропного материала и условия локальной потери устойчивости для реономных сред при медленном горячем деформировании. Анализ процессов реализован численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура. Обработка опытных данных проводилась методами математической статистики.
Автор защищает
- математические модели операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из высокопрочных материалов, обладающих плоскостной анизотропией механических свойств, в режиме кратковременной ползучести;
- основные уравнения и соотношения для анализа операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформированного состояния, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести;
- закономерности влияния анизотропии механических свойств материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента на напряженное и деформированное состояния, кинематику течения материала, силовые режимы, предельные возможности формообразования операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести;
- разработанные пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести, которые использованы при изготовлении элементов двух- и трехслойных листовых конструкций из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов, обеспечивающие заданное качество, уменьшение трудоемкости и металлоемкости изготовленных деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Научная новизна: установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний, кинематики течения материала, силовых режимов, предельных возможностей формообразования, разнотолщинности материала заготовки от анизотропии механических свойств материала, законов (условий) нагружения во времени, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента на основе разработанных математических моделей операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, а также использованием результатов работы в промышленности.
Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету рациональных технологических параметров операций изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, заданное качество их изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Реализация работы. Разработаны технологические процессы изотермической пневмоформовки элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Технологические процессы приняты к внедрению в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ». Применение медленного горячего деформирования при изготовлении элементов многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропных высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести позволяет расширить возможности управления процессами за счет изменения скоростных условий деформирования.
Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Основы теории пластичности и ползучести», «Штамповка анизотропных материалов» и «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных научных конференциях " XXXV - XXXVIII Гагаринские чтения" (г. Москва, 2009-2012 г.г.), на Международной научно-технической конференции «Автоматизация; проблемы, идеи, решения» (АПИР-15) (Тула: ТулГУ, 2010 г.), на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (Тула: ТулГУ, 2010), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2007 – 2012 г.г.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 6 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, в 6 статьях в межвузовских сборниках, в 4 тезисах докладов на международный и всероссийский научных конференциях объемом 5.5 печ. л.; из них авторских – 2.25 печ. л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 146 наименований, 3 приложений и включает 115 страниц машинописного текста, содержит 65 рисунков и 11 таблиц. Общий объем - 206 страниц.
