Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения в значительной мере зависит от эффективной разработки и внедрения новых технологических процессов, обеспечивающих снижение энергозатрат, экономию материальных ресурсов при повышении производительности труда и качества получаемых изделий. Ряд отраслей народного хозяйства, решающих задачи обработки давлением труднодеформируемых промышленных сплавов, сталкивается с проблемой повышения деформационной способности конструкционных материалов в состоянии поставки, особенно при получении изделий сложных геометрических форм из листовых заготовок в условиях мелкосерийного и единичного производства.
Проблемы глубокой вытяжки изделий с утонением стенки связаны со сложностью изготовления и высокой стоимостью инструмента и оснастки для штамповки, а стойкость пуансонов при этом невысока, Многопе-реходность штамповки обуславливает необходимость использования большого количества промежуточной оснастки, поэтапная смена которой приводит к увеличению длительности процесса изготовления изделий, к износу инструмента и, как следствие, снижению качества готовой продукции. Необходимость применения промежуточных отжигов при выполнении глубокой вытяжки требует дополнительного оборудования и увеличивает общие энергозатраты.
Устранить эти недостатки можно при использовании процессов пневмоформовки и пневмомеханической формовки листовых заготовок в режиме сверхпластичности. Получение высокоточных корпусных изделий, куполообразных оболочек, элементов защитных и несущих конструкций авиакосмической техники требует создания новых способов экспериментальных исследований, точно соответствующих схеме напряженного состояния при пневмоформовкс и научно-обоснованных методов расчета технологических параметров процессов формообразования изделий в режиме сверхпластичности, а также создания программ автоматизированного управления этими параметрами при реализации технологических процессов Решение задач изготовления полых изделий сложных геометрических форм за одну основную технологическую операцию требует создания адекватных математических моделей формоизменения в режиме сверхпластичности и разработки рационального варианта оценки деформационных возможностей с помощью компьютерного моделирования на базе современных машинно-ориентированных численных методов и компьютерных информационных технологий.
В работе поставлена проблема разработки единого подхода к комплексному анализу процессов формоизменения листовых заготовок при нневмоформовке в режимах сверхпластичности, решение которой позволит существенно интенсифицировать и рпгширитії пгпмпжііттт' техноло-
| М>С НАЦЙвНАЛЬИАй і
| БИБЛИОТЕКА I
гических процессов изготовления сложных и высокоточных изделий при снижении их общей себестоимости и повышении качества. В этой комплексной проблеме также является актуальной оценка пригодности любых листовых материалов в состоянии поставки к пневмоформовке в режиме сверхпластичности, с использованием отношения минимального к максимальному значению интенсивности напряжений, соответствующих допустимым границам изменения скорости деформации, непосредственно выраженное через давление газовой среды на заготовку в определенные моменты времени.
Таким образом, проблема развития теории и современных методов анализа процессов формоизменения труднодеформируемых листовых материалов при пневмоформовке в режиме сверхпластичности, а также разработка ресурсосберегающих технологических процессов получения сложных изделий из листа, включая вопросы проектирования специальной оснастки и оборудования, является актуальной для теории и практики технологий и машин обработки давлением.
Настоящая работа, посвященная решению указанной проблемы, выполнена в базовой лаборатории кафедры "Технология металлов" и кафедры "Механика пластического формоизменения" Тульского государственного университета. Отдельные разделы работы выполнялись в соответствии с координационным планом АН СССР и в соответствии с постановлением Государственного комитета по науке и технике по планам госбюджетных и хоздоговорных работ с предприятиями машиностроения, а так же в рамках гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ-1456.2003.8 по направлению «Механика формоизменения ор-тотропных и изотропных упрочняющихся материалов при различных температурах и скоростях деформирования».
Цель работы. Развитие теории и технологии листовой пневмофор-мовки в режимах сверхпластичности на базе разработанных научно обоснованных теоретических и экспериментальных методов анализа формоизменения с построением математических моделей, позволяющих установить рациональные режимы деформирования, кинематику течения и пригодность материалов для создания ресурсосберегающих технологий изготовления сложных изделий ответственного назначения.
Задачи исследований:
1. На основе анализа известных результатов использования пневмоформовки при производстве сложных изделий из листа в состоянии поставки, без предварительной подготовки структуры, выбрать сплавы с различными температурами сверхпластичности, разработать методики и провести исследования технологичности этих сплавов, для чего: разработать методику определения оптимальной температуры сверхпластичности по изменению модуля упругости;
разработать методику экспериментального определения основных характеристик сверхпластичности, позволяющих оценить пригодность листовых материалов к пневмоформовке;
построить для исследуемых сплавов реологические зависимости m(J' ІЛаи)> *(„)> с(«) и определить допустимые диапазоны изменения скорости деформации и ее оптимальные значения;
на основе результатов статистической обработки экспериментальных данных получить для диапазона допустимого изменения скорости деформации аналитические зависимости, аппроксимирующие механические уравнения состояния этих сплавов.
-
Разработать метод теоретического анализа процесса пневмо-формовки в режиме сверхпластичности и предложить единый подход к построению методик расчета технологических параметров на характерных стадиях формообразования типовых изделий.
-
Разработать конечноэлементный метод решения технологических задач пневмоформовки, с построением математических моделей формоизменения в режиме сверхпластичности и подтвердить адекватность результатов моделирования и данных экспериментальных исследований.
-
Спроектировать и изготовить лабораторные установки для экспериментального исследования процесса на стадии свободной формовки в матрицы различного контура из листовых заготовок, а также на стадиях заполнения рельефа, обеспечивающих в процессе опытов требуемый температурный режим и контроль необходимых параметров.
-
Разработать конструкции промышленных установок, специальной оснастки и системы автоматизированного контроля технологических параметров, обеспечивающих надежную герметизацию, термостатирование и автоматический режим управления процессом формообразования изделий
-
Разработать рекомендации по созданию технологических процессов изготовления ответственных изделий машиностроения пневмоформов-кой и пневмомеханической формовкой в режимах сверхпластичности из конструкционных листовых сплавов.
-
Спроектировать, отработать и внедрить типовые технологические процессы производства изделий различной номенклатуры для машиностроения и авиастроения.
-
Использовать результаты исследований в учебном процессе для подготовки новых курсов, а так же при выполнении дипломных проектов студентами, магистерских и кандидатских диссертационных работ.
Методы исследования:
- теоретический анализ процессов сверхпластического деформирования листовых материалов выполнен с использованием известных положений механики сплошных сред и прикладной теории пластичности; математическое моделирование, осуществлено с использованием метода конечных элементов и численных методов математики для механики деформируемого твердого тела;
аналитический метод расчета, основанный на совместном решении уравнений равновесия тонкостенной оболочки, механического уравнения состояния сверхпластичности и линеаризованного условии текучести Ле-ви-Мизеса с учетом допущения, что пластическое течение происходит только во внеконтактной зоне формовки;
экспериментальные исследования выполнены на специально сконструированных установках для пневмоформовки с автоматическим управлением и регистрацией всех необходимых параметров по разработанным автором методикам. При обработке результатов экспериментов использованы методы математической статистики с применением ЭВМ для аппроксимации экспериментальных кривых по методу наименьших квадратов для интерполяции и экстраполяции оптимальных режимов сверхпластичности при пневмоформовке.
Автор защищает.
-
Результаты установленных теоретически и экспериментально закономерностей для температурно-скоростных и силовых режимов деформирования промышленных сплавов в состоянии поставки, методы оценки их пригодности к пневмоформовке с утонением стенки на базе разработанных новых методов испытаний, раскрывающих деформационные возможности и оптимальные параметры выбранных алюминиевых, медных и титановых сплавов в режиме сверхпластичности.
-
Предложенный аналитический метод расчета основных определяющих параметров при изготовлении полых изделий сложной формы пневмоформовкой в режиме сверхпластичности и полученные на его основе зависимости и программы управления этими параметрами для интенсификации технологических процессов на этапе проектирования.
-
Вариант метода конечноэлементного анализа процессов пневмоформовки и пневмомеханической формовки в режиме сверхпластичности с учетом контактного взаимодействия оболочки с формообразующей матрицей и полученные на его основе результаты компьютерного моделирования ряда технологических процессов, выполненных с применением разработанных методик управления разнотолщинностью стенок изделий с использованием тормозящих элементов и реверсивной пневмомеханической формовки.
-
Конструкции устройств, инструмента и оснастки для процессов пневмоформовки в режиме сверхпластичности, признанных изобретениями, и рекомендации по проектированию типовых технологий изготовления высокоточных деталей, а также результаты опытных испытаний и промышленного внедрения ресурсосберегающих технологических процессов с использованием автоматизированных программ управления, разработанных на базе научно обоснованных методов расчета и проектирования формообразующих операций и технологических режимов деформирования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке современной методологии единого подхода к анализу формообразования сложнопрофильных изделий пневмоформовкой в режимах сверхпластичности на основе установленных теоретически и экспериментально закономерностей и математических моделей процессов деформирования, позволяющих установить нестационарные поля напряжений и деформаций для определения рациональных режимов обработки, с оценкой пригодности материалов к пневмоформовке при создании ресурсосберегающих технологических процессов и представлена следующими научными результатами:
-
Методики теоретических и экспериментальных исследований для определения рациональных параметров и режимов деформирования листовых материалов из конструкционных сплавов в состоянии поставки при пневмоформовке в режимах сверхпластичности и полученные на их основе характеристики формоизменения сплавов АМгб, АМгЗ, АМц, Л63 и ВТбс
-
Аналитический метод расчета основных технологических параметров процесса пневмоформовки полых сложнопрофильных оболочек для создания автоматизированных программ управления их формоизменением, позволяющий существенно интенсифицировать разработку типовых промышленных технологий на этапе проектирования
3 На базе метода конечных элементов разработана методика и программное обеспечение для определения нестационарных полей напряжений и деформаций в процессе формоизменения осесимметричных оболочек произвольной формы, с оценкой и возможностью управления их раз-нотолщинностью в процессе получения изделий заданной конфигурации.
4. Результаты экспериментально-теоретических исследований и моделирования, позволившие установить взаимосвязи основных технологических параметров и характеристик формоизменения при пневмо- и пневмомеханической формовке в режиме сверхпластичности для получения качественных изделий и осуществить научно обоснованную разработку новых технологий.
Практическую значимость работы составляют:
1. Разработанные эксперимен галыго-расчетные методы анализа технологических процессов пневмоформовки листовых заготовок в режиме сверхпластичности:
методика экспериментального определения параметров уравнения состояния материала, описывающего сверхпластичное поведение для схемы двухосного растяжения в оболочке;
методики экспериментального определения предельных технологических возможностей труднодеформируемых конструкционных сплавов для оценки их пригодности к пневмо- и пневмомеханической формовке в режиме сверхпластичности;
технологические номограммы и программы управления для изготовления изделий различной сложности из листовых заготовок пневмо-
формовкой, основанные на аналитическом методе расчета основных параметров процесса формообразования, позволяющие в условиях промышленного предприятия проектировать новые технологические процессы производства изделий;
- программы численного конечно-элементного расчета технологических параметров и управления процессом пневмоформовки без ограничений, связанных со сложностью и точностью конечной формы изделий, позволяющие без проведения трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований установить оптимальные режимы сверхпластичности и параметры пневмоформовки;
2 Пакеты прикладных программ для анализа формовки оболочек, обеспечивающие возможность более широкого внедрения компьютеров в практику проектирования технологических процессов листовой штамповки и существенное повышение производительности труда при технологической подготовке производства новых изделий
3. Результаты сравнительного анализа ряда процессов пневмоформовки, позволяющие показать преимущесіва этих процессов по сравнению с традиционными способами обработки листовых материалов, за счет возможности получить детали сложной формы с высоким качеством поверхности за одну технологическую операцию и сокращения объема последующей трудоемкой механической обработки.
4 Оригинальные конструкции установок, специальной оснастки и оборудования с автоматизированной пневмосистемой для изготовления высокоточных изделий заданных геометрических форм и размеров из листовых заготовок, защищенные авторскими свидетельствами СССР на изобреіения (№582032, №557229, №531587, №614856).
5. Новые ресурсосберегающие технологии, разработанные и
практически реализованные для производства изделий машиностроения
различной номенклатуры за одну основную технологическую операцию
при минимальном числе переходов пневмоформовкой в режиме
сверхпластичности.
6. Включенные в разделы лекционных курсов «Новые техпроцессы и
оборудование», «Технология листовой штамповки», «Основы теории вы
сокоэффективных технологических процессов листовой и объемной штам
повки», «Технология высокоэффективных технологических процессов
листовой и объемной штамповки» при подготовке бакалавров направления
150400 «Технологические машины и оборудования» и студентов, обучаю
щихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и обо
рудование» специальности 150201 «Машины и тсхнолоіия обработки ме
таллов давлением», а так же идеи, выводы и разработанные в диссертации
подходы, используемые в учебном процессе ТулГУ при подготовке маги
стров и специалистов высшей квалификации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на Всесоюзной научно-
технической конференции "Новое в кузнечно-штамповочном производстве" (г. Запорожье, 1975г), на отраслевых научно-технических семинарах в МДНТП им Дзержинского (г Москва) "Штамповка эластичными, жидкостными и газовыми средами" (1976г) и "Качество и эффективность при листовой и объемной штамповке" (1977г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Сверхпластичность металлов" (г Москва, 1978г.), на научно-технических семинарах "Механические испытания материалов и сверхпластичность металлов" (Алжир, университет г. Блида, 1986-1988гг.), на Международной НТК 'Тесурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства" (г. Тула, 1999г.), на Международных конференциях "Автоматизация: проблемы, идеи, решения" (г. Тула, 2002г. и 2004г.), на ХХХШ Уральском семинаре "Технологии и машины обработки давлением" (г. Екатеринбург, 2003г.), на Всероссийской НТК «Наука. Промышленность. Оборона» г. Новосибирск, 2005 г., на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1973-2005 гг.).
Вклад автора в разработку оборудования и технологии пневмофор-мовки сплавов в режиме сверхпластичности дважды отмечен Дипломами лауреата премий им. С.И.Мосина по машиностроению.
Научно-исследовательские работы студентов и аспирантов, выполненные под руководством автора диссертации, отмечены 35 Дипломами лауретов и Почетными грамотами международных научных конференций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 научных работ, в том числе 4 авторских свидетельства на изобретения и 3 монографии.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н, доц. Е.М. Селед-кину за помощь в постановке задач моделирования процессов пневмофор-мовки и д т.н., проф С. П. Яковлеву за ценные замечания при выполнении работы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 208 наименований на 20 страницах и приложений и содержит 326 страниц основного машинописного текста, включая 165 рисунков и 23 таблицы. Общий объем 353 страницы.
