Введение к работе
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:
-
Разработка конечно-элементной математической модели деформирования газовой средой заготовки, учитывающей трехмерный характер течения деформируемого материала и контактное трение между заготовкой и поверхностью формообразующей матрицы.
-
Разработка алгоритма расчета режимов нагружения и программного
комплекса для математического моделирования процессов сверхпластической формовки.
-
Выполнение теоретических исследований процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.
-
Разработка на основе теоретических исследований схемы формообразования полусферических оболочек с минимальной величиной разнотолщинно-сти стенки.
-
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:
-
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.
-
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.
-
Предложенный способ уменьшения разнотолщинности стенки полусферических оболочек и разработанную на его основе математическую модель формоизменения листовой заготовки из сплава ВТбс.
-
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 ере-
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:
-
Разработан программный комплекс для математического моделирования процессов сверхпластической формовки трехмерных пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.
-
Предложена технологическая схема сверхпластической формовки полусферических оболочек, позволяющая значительно сократить разнотолщин-ность стенки, которая характерна для типовой схемы формообразования полусфер.
-
Разработаны конструкции устройств и предложены технологические рекомендации для сверхпластической формовки изделий из листовых и трубных заготовок.
Реализация работы:
-
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 000 «Ротор-инженеринг».
-
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.), І 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.
