Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время перед машиностроением стоит не обходимость повышения эффективности производства и качества получаемых.изделий.
Создание новой техники, отдельные узлы которой работают в условиях агрессивных сред, высоких давлений и температур, связано с использованием труднодеформируемых, малопластичных материалов. Значительное количество деталей машиностроения изготавливается из листовых материалов, которые обрабатываются в режимах холодной и горячей штамповки.
В последнее время при изготовлении деталей аэрокосмической техники и; листовых малопластичных, труднодеформируемых сплавов нашло применение медленное горячее деформирование с предварительной или одновременной диффузионной сваркой. Медленное горячее формоизменение дает возможность значительно снизить удельные усилия штамповки и достичь больших степеней деформации.
При медленном изотермическом деформировании высокопрочных материалов в зависимости от уровня напряжений, возникающих в заготовке, и температуры обработки величины пластической деформации и деформации ползучести становятся соизмеримыми, и это обстоятельство необходимо учитывать при расчетах технологических параметров процессов.
Технологические принципы медленного горячего формоизменения листовых заготовок и диффузионной сварки могут быть применены в производстве элементов многослойных листовых конструкций летательных аппаратов цилиндрического, прямоугольного и трапециевидного сечений из анизотропного материала.
Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, 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 горячего формоизменения многослойных листовых конструкций летательных аппаратов с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами сдерживается недостаточно развитой теорией медленного 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.
Работа выполнена в соответствии с проектом РФФИ № 00-01-00565 «Вопросы теории формоизменения мембран из анизотропного материала в условиях ползуче-пластического течения», грантами «Теория пластического формоизменения при повышенных температурах современных конструкционных материалов . для получения многослойных листовых конструкций ДА»- и «Научные основы новых технологий изготовления элементов конструкций летательных аппаратов с высокими эксплуатационными характеристиками» в области технологических проблем производства авиакосмической техники, а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.
Цель работы. Научное обоснование расчета технологических параметров процессов изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести с целью снижения металлоемкости, трудоемкости изготовления, сокращения сроков подготовки производства и повышения их эксплуатационных характеристик на основе прогрессивных технологических решений и условий их реализации.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:
-
Получить основные уравнения и соотношения для анализа напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения процессов изотермической пневмоформовки многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести.
-
Выполнить теоретический анализ процессов изотермической пневмоформовки многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести.
-
Установить влияние анизотропии механических свойств, накопления повреждаемости, геометрических размеров заготовки и закона нагружения на напряженное и деформированное состояние и предельные возможности исследуемых технологических процессов.
-
Выполнить экспериментальные исследования рассматриваемых процессов изотермической пневмоформовки.
-
Использовать результаты исследований в промышленности и в учебном процессе.
Автор защищает результаты теоретических исследований напряженного и деформированного "состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения, связанных с накоплением микроповреждений и локальной потерей устойчивости заготовки из анизотропного листового материала, при медленном изотермическом формоизменении многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести; установленные зависимости влияния геометрических размеров заготовок и изделия, анизотропии механических свойств листового материала и законов (условий) нагружения во времени на напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возмож-
ности деформирования исследуемых процессов изотермического формоизменения; результаты экспериментальных исследований процессов изотермической пневмоформовки многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами в режиме кратковременной ползучести; разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов медленного изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами. Научная новизна:
разработаны математические модели медленного изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести;
установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей деформирования в исследованных процессах изотермического формоизменения в зависимости от геометрических размеров заготовок и изделия, анизотропии механических свойств материала и законов (условий) нагружения во времени при медленном горячем деформировании.
Методы исследования:
Теоретические исследования процессов изотермического деформирования 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 Друкера для реономных сред при медленном горячем деформировании. Анализ процессов реализован численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ IBM PC. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура. Обработка опытных данных проводилась методами математической статистики.
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 ценность и реализация работы. На основе выполненных теоретических и экспериментачьных исследований разработаны рекомендации и созданы пакеты прикладных-программ для ЭВМ -IBM PC по расчету технологических параметров процессов изотермического формоизменения многослойных листовых конструкций с цилиндрическими, прямоугольными и трапециевидными каналами из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести.
Результаты исследований использованы при разработке новых технологических процессов изготовления панелей с круглыми и прямоугольными каналами, гофровых панелей из анизотропного листового материала в режиме кратковременной ползучести на ФГУП «НПО Техномаш».
Разработанные технологические-процессы внедрены в опытное производство со значительным экономическим эффектом за счет сокращения сроков технологической подготовки производства, обеспечения качества, снижения трудоемкости изготовления и металлоемкости узлов изделий.
" Отдельные материалы научных исследований лспользованы в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных научных конференциях "XXIV - XXVI Гагаринские чтения" (г. Москва, 1998-2000 г.г.), на международной научно-технической конференции "Итоги развития механики в Туле " (г. Тула, 1998 г.), на II международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии" (г. Орел, 1998 г.), на первой международной научно-технической конференции "Металлофизика и деформирование перспективных материалов" (г. Самара, 1999), на международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения СИ. Мосика (г. Тула, 1999 г.), на международной научно-технической конференции "Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа" (г. Москва, 1999 г.), на международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства" (г. Тула, 1999 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (1997 -2000 г.г.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 13 печатных работах.
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., ведущему научному сотруднику Я.А. Соболеву и д.т.н., профессору СП. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 133 наименований, 4 приложений и включает 111 страниц машинописного текста, содержит 50 рисунков и 11 таблиц. Общий объем - 200 страниц.