Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии изотермического деформирования высоко прочных материалов
1.1 Анализ существующих технологических процессов изготовления элементов листовых конструкций
1.2 Теоретические и экспериментальные исследования операций изотермического деформирования высокопрочных труднодефор-мируемых материалов
1.3 Влияние анизотропии механических свойств листовых материалов на процессы обработки металлов давлением
1.4 Основные выводы и постановка задач исследования .
2 Основные соотношения для анализа процес сов деформирования анизотропных материа лов в режиме кратковременной ползучести
2.1 Определяющие соотношения
2.2 Феноменологические модели разрушения анизотропного материала
2.3 Локализация деформирования анизотропного материала в изотермических условиях
2.3.1 Плоское напряженное состояние
2.3.2 Плоское напряженное и плоское деформированное состояния .
2.4 Основные результаты и выводы
3 Математические модели изотермического свободного и стесненного деформирования листовых заготовок из анизотропных мате риалов в матрицу квадратного поперечного сечения в режиме вязкого течения материала . 52
3.1 Изотермическое свободное деформирование листовых заготовок из анизотропных материалов в матрицу квадратного поперечного сечения в режиме вязкого течения материала 52
3.1.1 Геометрические параметры деформируемой заготовки 53
3.1.2 Напряженное и деформированное состояния заготовки 56
3.1.3 Деформирование материала заготовки, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости 58
3.1.4 Деформирование материала заготовки, подчиняющегося кинетической теории ползучести и повреждаемости 66
3.2 Изотермическое стесненное деформирование анизотропной листовой заготовки, закрепленной по контуру, в квадратную матрицу в условиях вязкого течения 71
3.2.1 Характер формоизменения. Напряженное и деформированное состояния оболочки 71
3.2.2 Деформирование материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости 85
3.2.3 Деформирование материала, подчиняющегося кинетической теории ползучести и повреждаемости 93
3.3 Основные результаты и выводы 99
4 Влияние технологических параметров и анизотропии механических свойств материала на напряженное и деформированное состоя ния заготовки, силовые режимы и предельные возможности деформирования 102
4.1 Изотермическое свободное деформирование анизотропных лис
товых заготовок в матрицу квадратного поперечного сечения 104
4.1.1 Деформирование материалов, подчиняющихся энергетической теории ползучести и повреждаемости 104
4.1.2 Деформирование материалов, подчиняющихся кинетической теории ползучести и повреждаемости 117
4.2 Изотермическое стесненное деформирование анизотропных лис товых заготовок в матрицу квадратного поперечного сечения 127
4.2.1 Деформирование материалов, подчиняющихся энергетической теории ползучести и повреждаемости 127
4.2.2 Деформирование материалов, подчиняющихся кинетической теории ползучести и повреждаемости 145
4.3 Основные результаты и выводы 147
5 Экспериментальные исследования. использование результатов исследований 150
5.1 Экспериментальные исследования процессов изготовления элементов листовых конструкций 150
5.1.1 Методика экспериментальных исследований 150
5.1.2 Экспериментальные исследования операций изотермической пневмоформовки элементов листовых конструкций квадратного поперечного сечения 154
5.2 Использование результатов исследований в промышленности 161
5.3 Использование результатов исследований в учебном процессе 166
5.4 Основные результаты и выводы 167
Заключение 170
Список используемых источников
- Влияние анизотропии механических свойств листовых материалов на процессы обработки металлов давлением
- Геометрические параметры деформируемой заготовки
- Деформирование материалов, подчиняющихся энергетической теории ползучести и повреждаемости
- Экспериментальные исследования операций изотермической пневмоформовки элементов листовых конструкций квадратного поперечного сечения
Влияние анизотропии механических свойств листовых материалов на процессы обработки металлов давлением
Разработка новых машин и механизмов, отдельные узлы которых работают в условиях агрессивных сред, высоких давлений и температур, связана с использованием труднодеформируемых малопластичных сплавов. Значительное количество деталей и узлов машиностроения изготавливаются из листовых материалов, которые обрабатываются в режимах холодного и горячего деформирования.
В настоящее время при изготовлении деталей ракетно-космической техники из листовых труднодеформируемых малопластичных материалов находит свое применение медленное горячее деформирование, которое позволяет значительно повысить пластические свойства материала, снизить силу деформирования, а также обеспечить большие степени деформации. Формирование характеристик изделий закладывается в заготовительном производстве процессами обработки давлением. В корпусных узлах геометрия форм должна быть достигнута с минимальным объемом обработки. Эффективность производства в значительной мере определяется состоянием разработки и внедрения технологических процессов обработки давлением в режимах высоких температур, способным практически во многих необходимых аспектах решить эти задачи.
Проведенный анализ конструкций узлов и деталей изделий показывает, что эффективность технологии формируется путем сокращения металлоемкости заготовок, уменьшения объемов механической обработки резанием и повышения качества заготовок. Традиционные методы формообразования здесь исчерпывают свои возможности [35, 37, 84, 112]. Реализация эффективной технологии может быть обеспечена внедрением совмещенного деформирования и соединения узлов изделий.
Корпусные узлы изделий во многом определяют качество и тактико-технические характеристики. Трудоемкость производства корпусных узлов изделий в настоящее время очень велика и составляет 70…80 % общей трудоемкости изготовления изделия. Производство корпусных узлов изделий требует большого парка оборудования различного назначения: прессового, сварочного, оборудования для электроэррозионной и механической обработки, сборочных стапелей и др. Корпусными узлами изделий являются оболочки различной геометрической формы (плоские, цилиндрические, сферические, ячеистые и т.д.), несущие высокие нагрузки в процессе эксплуатации, из алюминиевых, латунных и титановых сплавов (обтекатели, корпуса отсеков, емкости, крылья и т.д.). Многослойные листовые конструкции изготавливаются из листовых специальных алюминиевых и титановых сплавов. Корпусные узлы, изготавливаемые из этих сплавов, должны иметь высокую удельную прочность (отношение разрушающей нагрузки к собственной массе), надежно работать на продольный изгиб и поперечное сжатие, обладать герметичностью и антикоррозионной стойкостью.
Используемые в конструкциях изделий корпуса из проката имеют большую относительную толщину подкрепления в виде клепаных или вваренных шпангоутов и стрингеров. Все названные узлы конструкций имеют большую номенклатуру входящих деталей, металлоемки, и их изготовление требует большого цикла механической обработки, подгонки, сборки, что отражается на качестве изделия [35, 37, 84, 112].
Перспективно применение одно- и многослойных корпусных конструкций, которые могут состоять из наружных листов-обшивок и внутренних формованных листов-заполнителей. Панели с разнесенными листовыми обшивками способны нести высокие нагрузки при продольном сжатии и изгибе, что делает их эффективными для летательных аппаратов.
Технологические методы изготовления листовых конструкций связаны в настоящее время с процессами механической обработки резанием, пайкой, прокаткой, сваркой плавлением, клепкой, раздуванием канала внутренним давлением и т.д. [35, 37, 84, 112]. Это достаточно трудоемкие технологические процессы обработки, требующие высокой исходной точности заготовок и полуфабрикатов, длительного цикла обработки, приводящие к большому расходу металла, а также к применению большого числа сборочных единиц и крепежных деталей, что повышает себестоимость изготовления изделия в условиях мелкого и среднесерийного производства.
Большие преимущества по сравнению с традиционными методами изготовления имеют ресурсосберегающие и безотходные технологические процессы изотермической пневмоформовки листовых заготовок с предварительной или одновременной диффузионной сваркой для получения сложных многослойных конструкций с различной конфигурацией силового набора [31, 34, 35, 37, 84, 90, 91, 112].
Технологические методы деформирования листовых заготовок избыточным давлением газа могут быть также применены и в производстве однослойных деталей (полусферических деталей) [35, 37]. Технологические методы производства полусферических деталей в настоящее время связаны с горячей многооперационной вытяжкой и последующими процессами механической обработки резанием.
Основными преимуществами изотермической превмоформовки являются высокая деформируемость сплавов и сравнительно небольшие силы формоизменения, что позволяет использовать менее мощное оборудование, снизить трудоемкость и энергоемкость производства различных тонкостенных изделий, увеличить фондоотдачу основного оборудования, снизить капитальные затраты на производственное оборудование, а также получать крупногабаритные детали, штамповка которых в обычных условиях невозможна [35, 37, 84, 112]. Повышение пластичности материала при повышенной температуре обработки обеспечивает лучшее изготовление изделий сложной формы за одну формообразующую операцию и дает возможность уменьшить или полностью исключить дорогостоящие операции механической обработки и снизить расход металла [35, 37, 84, 112].
Технологические процессы совмещения операций изотермической пневмоформовки и диффузионной сварки обеспечивают снижение трудоемкости производства путем одновременного формообразования и соединения всех элементов конструкции в 3…5 раз; сокращение числа входящих деталей в 5…10 раз; снижение требований к точности сборки обрабатываемых заготовок на 30…50 %; повышение точности готового изделия в 2…3 раза путем термофиксации изделия, совмещенного с основными операциями; повышение удельной прочности изделия в 1,2…1,5 раз при снижении общей массы; повышение коэффициента использования металла с 0,2…0,4 до 0,8 [35, 37, 84, 112].
Разработка и внедрение технологических процессов обработки давлением с нагревом высокопрочных материалов на основе титана, алюминия, магния, латуни, а также ряда сталей и сплавов на основе железа встречают практические затруднения и часто сдерживаются, уступая место менее рациональным процессам механической обработки. Поэтому необходимо проводить глубокие теоретические и экспериментальные исследования процессов изотермического деформирования с учетом реальных свойств анизотропии материала, неоднородности, упрочнения и ползучести для расчетов рациональных технологических параметров процессов деформирования.
Геометрические параметры деформируемой заготовки
Величины z1, z2 , z3 и z4 связаны между собой принятой формулировкой уравнений состояния в зависимости от условий деформирования. Приведенные выше критерии локальной потери устойчивости при плоском напряженном, плоском напряженном и деформированном состояниях анизотропных высокопрочных листовых материалов при кратковременной ползучести будут использоваться при оценке предельных возможностей деформирования операций изотермического свободного и стесненного деформирования листовых заготовок из анизотропных материалов в матрицу квадратного поперечного сечения в режиме вязкого течения материала.
Теоретический анализ операций медленного горячего деформирования (изотермической пневмоформовки) анизотропных материалов будем выполнять в рамках теории кратковременной ползучести без учета упругих составляющих деформации.
Величину эквивалентного напряжения, разделяющую вязкое и вязко-пластическое течения, будем назначать в зависимости от механических свойств материала при заданной температуре деформирования, чувствительности материала к деформационному упрочнению при соответствующей эквивалентной скорости деформации.
Приводятся уравнения связи между скоростями деформации и напряжениями, уравнения состояния при вязком и вязкопластическом тече нии анизотропного материала в случае сложного напряженного и деформи рованного состояний, учитывающие анизотропию механических свойств и повреждаемость материала в рассматриваемых режимах деформирования, которые будут использоваться в дальнейших теоретических исследованиях операций изотермической пневмоформовки листовых заготовок из анизо тропных материалов в матрицу квадратного поперечного сечения в режиме вязкого течения материала.
Предельные возможности формоизменения в процессах обработки металлов давлением часто ограничиваются уровнем накопленных микроповреждений и локальной потерей устойчивости заготовки. Приводятся феноменологические критерии разрушения (энергетический и деформационный), связанные с накоплением микроповреждений, и локальной потери устойчивости при плоском напряженном, плоском напряженном и деформи рованном состояниях анизотропного листового материала при кратковременной ползучести, которые будут использоваться в дальнейших теоретических исследованиях операций изотермического свободного и стесненного деформирования листовых заготовок из анизотропных материалов в матрицу квадратного поперечного сечения в режиме вязкого течения материала для оценки предельных возможностей деформирования. Изотермическое свободное деформирование листовых заготовок из анизотропных материалов в матрицу квадратного поперечного сечения в режиме вязкого течения материала
Однослойные и многослойные листовые конструкции используются для корпусов емкостей жидких компонентов топлива, а также для «сухих» корпусов изделий, крыльев, обтекателей и т.д. При высокой несущей способности эти конструкции имеют относительно малые массу и равнопроч-ность при нагружении. Существующие технологические процессы изготовления одно- и двухслойных конструкций включают в себя операции механической обработки (фрезерование) и электроэррозии [40]. Технологические принципы горячего медленного формоизменения избыточным давлением газа могут быть применены и в производстве элементов одно- и двухслойных листовых конструкций квадратного поперечного сечения из алюминиевых и титановых сплавов.
Ниже приведены математические модели изотермического свободного и стесненного деформирования листовых заготовок из высокопрочных анизотропных материалов в матрицу квадратного поперечного сечения в режиме вязкого течения [62, 67, 73-81, 133 -135]. 3.1.1 Геометрические параметры деформируемой заготовки
Рассмотрим деформирование листовой заготовки толщиной h0 в матрицу квадратного поперечного сечения со сторонами 2а в режиме вязкого течения материала под действием гидростатического давления р, изменяющегося от времени деформирования t следующим образом: р = р0+арґр , где ар и пр - параметры закона нагружения. Материал заготовки принима ем анизотропным. Заготовка закреплена по внешнему контуру (рисунок 3.1) [13, 56, 68, 130]. где H,G,F и Rx,Ry - параметры и коэффициенты анизотропии в направлении прокатки и перпендикулярном направлении листовой заготовки соответственно.
Примем для простоты анализа, что в каждый момент деформирования в сечении оболочки xoz скорость деформации tfy от купола к стороне х = а вдоль оси х изменяется по линейному закону от максимальной величины в вершине купола до нуля в точке х = а, а величина скорости деформации , постоянна по величине. Допускаем, что в сечении yoz скорость деформации & убывает по линейному закону от своей максимальной величины в вершине купола оболочки до нуля в точке у = Ъ, а величина ,су остается постоянной.
Деформирование материалов, подчиняющихся энергетической теории ползучести и повреждаемости
Установлено, что с ростом параметров нагружения ар и пр уменьшается критическая высота заготовки Я и предельное время разрушения U, увеличивается критическая толщина заготовки в месте закрепления ha и в куполе заготовки hc , причем критическая толщина в куполе заготовки hc меньше чем в местах ее закрепления ha на 15…35 %. Выявлено, что при изменении параметра закона нагружения пр наблюдаются более резкие изменения в рассматриваемых зависимостях, чем при изменении параметра закона нагружения ар, что говорит о большем его влиянии на процесс формоизменения. Анализ результатов исследований показывает, что при изотермическом свободном деформировании элементов листовых конструкций квадратного поперечного сечений в режиме вязкого течения материала сначала имеет место локализация деформации с последующим разрушением от накопления микроповреждений.
Деформирование материалов, подчиняющихся кинетической теории ползучести и повреждаемости
Рассмотрим особенности деформирования материала, подчиняющегося кинетической теории ползучести и повреждаемости. Геометрические размеры заготовки в процессе деформирования. Графические зависимости изменения относительных величин толщины заготовки в куполе /гс=/гс//г0 (кривая 1) и в месте ее закрепления К = КІК (кривая 2), высоты заготовки Н = Н/TZ0 (кривая 3) (h0 = 1 мм) и максимальной величины накопленной повреждаемости х А (в куполе заготовки) от времени деформирования t при различных параметрах закона нагружения (ар и пр) для титанового сплава ВТ6С при температуре формоизменения Г = 930 С подчиняющегося кинетической теории ползучести и повреждаемости, при заданном законе нагружения представлены на рисунках 4.18 - 4.26 (точками обозначены результаты экспериментальных исследований).
Из анализа графических зависимостей следует, что с ростом времени деформирования t до определенного предела осуществляется резкое увеличение относительной высоты заготовки Н и уменьшение относительной толщины заготовки в куполе hс и в месте ее закрепления ha .
Дальнейшее увеличение времени деформирования t приводит к плавному изменению исследуемых величин. В момент времени t, близком к разрушению заготовки, происходит резкое изменение относительных величин Н, hс и ha. Это связано с интенсивным ростом накопления микроповреждений в заключительной стадии процесса. Установлено, что изменение относительной толщины в куполе заготовки hс осуществляется более интенсивно по сравнению с изменением относительной толщины в месте ее закрепления ha. С ростом времени деформирования t эта разница увеличивается и может достигать 50 %.
Отмечено удовлетворительное согласование результатов теоретических и экспериментальных данных по изменению геометрических размеров квадратной листовой заготовки в процессе изотермической пневмоформовки (до 10 %).
Предельные возможности деформирования. Предельные возможности свободной изотермической пневмоформовки ячейки квадратного поперечного сечения из листовой заготовки ограничиваются феноменологическим критерием по накоплению микроповреждений (cog =1) и критерию локальной потери устойчивости. На рисунках 4.27 и 4.28 приведены графические зависимости изменения Н (а) и hc (б) от времени разрушения t для титанового сплава ВТ6С (Г = 930 С), подчиняющегося кинетической теорией ползучести и повреждаемости (точками обозначены результаты экспериментальных исследований). Анализ результатов расчетов и графических зависимостей (рисунки 4.27 и 4.28) показывает, что увеличение параметров нагружения ар и пр приводит к интенсивному увеличению высоты куполообразной заготовки Н и уменьшению толщины оболочки в вершине купола hс во время деформирования t. Однако предельная высота Я и толщина hс от этих параметров не зависят. Максимальная величина накопленной повреждаемости сое имеет место в куполе ячейки квадратного поперечного сечения, и с ростом времени деформирования сое увеличивается (рисунок 4.29). Предельные возможности деформирования в режиме вязкого течения материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости, не зависят от условий нагружения заготовки.
Экспериментальные исследования операций изотермической пневмоформовки элементов листовых конструкций квадратного поперечного сечения
Экспериментально-технологические работы проводились применительно к изготовлению элементов одно- и двухслойных листовых конструкций, удовлетворяющих техническим условиям эксплуатации (необходимые уровень прочности, коррозионной стойкости и герметичности в заданных условиях), из специальных листовых титановых материалов типа ВТ6С, алюминиевого сплава АМг6 и латуни Л63, применяемых в авиационно-космической технике [43, 76, 126, 171, 172].
Исследования выполнены с целью отработки технологических схем изготовления (на одной рабочей позиции - формообразование и сварка давлением), возможностей их реализации, установления температурно-скоростных режимов деформирования, определения давления газа, предельных степеней деформации и оценки качества изделий, а также проверки соответствия результатов теоретических расчетов экспериментальным данным.
Оценка качества включала следующие показатели: соответствие геометрии панелей чертежам, металлографию материала и прочность конструкции по условиям отраслевых нормативов.
Листовые титановые и алюминиевые сплавы являлись мелкозернистыми с размером зерен менее 7...10 мкм, что обеспечивалось заводом изготовителем, высокопрочными с пределом прочности до 1,2-10 МПа для титановых и до 3,5-10 МПа для алюминиевых сплавов. Эти сплавы структурно устойчивы при длительных процессах горячей обработки давлением.
При соответствующих температурно-скоростных режимах обработки эти материалы проявляют высокую способность к формоизменению.
При отработке технологических режимов параметры процесса изотермической пневмоформовки и диффузионной сварки контролировались следующими приборами: по температуре – платино - платинородиевой термопарой типа ПП-1 в комплекте с электронным потенциометром типа КСП-4; по вакууму - манометрическими преобразователями типа ПМТ-2 и ПМИ-2 и вакуумметром типа ВИТ-2А; по сжимающей силе - динамометром типа ДОСМ-5; по времени - секундомером; по перемещениям (величине деформации) – индикатором типа КИ с ценой деления 0,01 мм.
Законы изменения давления газа p во времени деформирования t , обеспечивающие возможность изготовления одно- и двухслойных листовых конструкций с заданными геометрическими размерами, рассчитывались на ЭВМ по методикам, изложенным в разд. 2 и 3.
Основными технологическими операциями при изготовлении конструкций были формообразование газом и диффузионная сварка давлением газа или штампа (инструмента). Операции в общем случае проводились в вакууме, среде нейтрального газа, при достаточно высоких температурах нагрева и регламентированных скоростях деформирования. Эти условия должны быть реализованы технологическим оборудованием, в состав которого входят следующие основные узлы и системы: вакуумная камера разъемная; силовой гидравлический узел; система нагрева; система вакуумирова-ния объема камеры; система подачи газа в оснастку; транспортная система; пульты контроля и управления технологическими режимами.
Оборудование имеет два возможных варианта исполнения в зависимости от состава и сложности техпроцессов: на базе штатного гидравлического пресса и стационарный блок-штамп. Во всех вариантах исполнения предусматривается смена рабочей оснастки в зависимости от конструкций изделий.
Экспериментальные исследования изотермического деформирования высокопрочных материалов выполнены в лабораториях ФГУП «НПО «Тех-номаш», ФГУП «НПО машиностроения», ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» и ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».
Для экспериментальных работ использовалась установка на базе стандартного двухстоечного гидропресса ДБ2432 силой 1,6 МН. На рисунке 5.1 показаны установка и схема ее компоновки. Установка предназначена для газоформовки и диффузионной сварки в вакууме опытных образцов изделий размерами до 300 мм в плане. Она обеспечивает температуру нагрева оснастки от встроенных нихромовых нагревателей до 1000 C, степень разрежения объема штампа 266,6 10"4 Па, давление газа до 5 МПа от стандартного баллона с редуктором давления. Пресс обеспечивает выдержку во времени под давлением.
Установка для экспериментально-технологических работ и изготовления опытных изделий по схеме «формообразование – сварка» в вакууме представлена на рисунке 5.2. В состав установки входит вакуумная камера из двух разъемных полукамер. Нижняя полукамера установлена на червячном механизме горизонтального перемещения и имеет экранированные от стенок молибденовые нагреватели (спираль) секционного типа, что позволяет управлять полем температур. Герметизация полукамер в соединении осуществляется надувным шлангом в торце полукамеры. Силовая нагрузка воспринимается четырьмя колоннами. Установка имеет встроенный в верхней части гидроцилиндр, вакуумные насосы для разряжения до 266,6-10" Па, гидростанцию, шкаф с силовыми трансформаторами и шкаф управления.
Установка обеспечивает следующие технические параметры: температура нагрева - 1000 С ; вакуум в камере - 266,6-10-4 Па; сила сжатия, до - 1 МН; внутренний диаметр камеры - 800 мм; габариты свариваемого узла (максимальные) - 500х500 мм; масса нагреваемого металла (изделие + оснастка) -300 кг; ход штока - 150 мм.