Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы повышения качества и эксплуатационных свойств изделий при пластическом деформировании импульсными методами 22
1.1. Технологические дефекты штампуемых изделий из алюминиевых сплавов 37
1.2. Механизмы изменения качества деталей при обработке давлением 47
1.3. Применение методов импульсной обработки давлением для повышения качества изделий 51
1.4. Возможности магнитно-импульсной обработки 56
1.5. Моделирование процессов импульсной обработки 60
1.6 Магнитно-импульсные установки и индукторы 69
1.7. Анализ технологических особенностей магнитно-импульсной обработки 74
1.8. Залечивание дефектов сплошности в алюминиевых сплавах и изменение эксплуатационных свойств штампуемых изделий 80
1.9. Выводы по главе, цель и задачи диссертации 84
Глава 2. Теоретическое исследование влияния ударного воздействия на технологические дефекты при упругопластическом деформировании деталей 88
2.1. Математическая модель для исследования влияния импульсной обработки на материалы и ее численная реализация 90
2.2. Тестовые расчеты прохождения упругих волн в сплошных телах переменного сечения, системах тел и телах с множеством пор 104
2.3. Изменение дефектов сплошности материалов при ударном воздействии 115
2.4. Использование коэффициента пористости как характеристики материала 129
2.5 Ударный контакт штампуемой листовой детали с формообразующей оснасткой 133
2.6. Разглаживание гофров листовой детали при ударе об оснастку 142
2.7. Выводы по главе 149
ГЛАВА 3. Теоретическое исследование влияния магнитно-импульсного воздействя на дефекты сплошности алюминиевых сплавов 152
3.1. Математическая постановка и численная реализация 154
3.2. Механическое воздействие ИМП на дефекты сплошности материалов 164
3.3. Уменьшение объема дефектов сплошности в зависимости от амплитуды нагрузки ИМП 167
3.4. Возможные диапазоны параметров МИО в зависимости от плотности импульсных токов 170
3.5. Выбор материала индукторов 175
3.6. Уменьшение несплошностеи при компактировании элементов в соединении "наконечник-электрожгут" при обжиме ИМП 176
3.7. Выводы по главе 188
Глава 4. Определение наиболее эффективныхпараметров импульсного воздействия для уменьшения технологических дефектов пластически деформируемых деталей 190
4.1. Импульс давления в зоне поры 192
4.2. Влияние формы и времени действия импульсного нагружения на динамику смыкания пор 197
4.3. Влияние динамического предела текучести материала на динамику смыкания пор 202
4.4. Определение эффективных параметров амплитуды нагрузки при импульсной обработке при импульсной обработке материалов с дефектами сплошности 205
4.5. Определение эффективных параметров обработки материалов с дефектами сплошности давлением ИМП в зависимости от времени действия нагрузки 210
4.6. Оптимизация параметров магнитно-импульсного деформирования для получения листовых деталей с заданной точностью 214
4.7. Инженерная методика определения наиболее эффективных режимов магнитно-импульсного формообразования листовых деталей 220
4.8. Выводы по главе 226
Глава 5. Экспериментальные исследования влияния импульсного воздействия на алюминиевые сплавы и детали из них 228
5.1. Изменение структуры алюминиевых сплавов при магнитно-импульсной обработке давлением 230
5.2. Исследование ударного воздействия на несплошность в материале 237
5.3. Изменение пористости алюминиевых сплавов после магнитно-импульсной обработки давлением 241
5.4. Экспериментальные данные по влиянию магнитно-импульсной обработки на служебные свойства алюминиевых сплавов 251
5.5. Исследование формообразования листовых деталей давлением ИМП 254
5.6. Экспериментальное исследование разглаживания гофров при ударе 261
5.7. Экспериментальное определение точностных характеристик листовых деталей с отбортовкой по контуру при магнитно-импульсной штамповке 266
5.8. Определение динамического условного предела текучести алюминиевых сплавов при магнитно-импульсной обработке 275
5.9. Выводы по главе 280
Глава 6. Опытно-промышленное внедрение результатов исследований 282
6.1. Технологические рекомендации по обработке деталей давлением ИМП 282
6.2. Особенности конструкций индукторов для магнитно-импульсной обработки тонколистовых деталей 287
6.3. Технологическая оснастка и приспособления для магнитно-импульсной обработки тонколистовых деталей 290
6.4. Повышение технико-экономических показателей при внедрении процессов обработки листовых деталей давлением ИМП 296
6.5. Внедрение в производство обжима наконечников электрожгутов давлением ИМП 299
6.6. Внедрение магнитно-импульсной обработки деталей трубопроводов 304
6.7. Выводы по главе 309
Общие выводы 311
Список литературы 315
Приложения 339
- Применение методов импульсной обработки давлением для повышения качества изделий
- Тестовые расчеты прохождения упругих волн в сплошных телах переменного сечения, системах тел и телах с множеством пор
- Возможные диапазоны параметров МИО в зависимости от плотности импульсных токов
- Определение эффективных параметров амплитуды нагрузки при импульсной обработке при импульсной обработке материалов с дефектами сплошности
Введение к работе
Актуальность темы. В современном производстве машин и летательных аппаратов идет непрерывное усложнение объектов производства. С другой стороны наблюдается отставание и недостаточное развитие возможностей технологических процессов, устраняющих или уменьшающих влияние негативных факторов технологической наследственности, таких как дефекты формообразования деталей и нарушения сплошности материалов при пластическом деформировании. Особенно это касается изготовления высоконагруженных деталей корпусов, трубопроводов, электрокоммуникаций и др.
Внедрение эффективных импульсных технологий обработки давлением во многом сдерживается отсутствием научно-обоснованных методов и средств управления параметрами высокоскоростного деформирования материалов, без которых импульсные процессы могут давать результаты, уступающие традиционным методам обработки, и их внедрение становится нерациональным.
В настоящей работе разрабатываются теоретические, методические и научно-практические основы проектирования технологических процессов импульсной обработки алюминиевых сплавов, повышающих качество штампуемых деталей путем уменьшения технологических дефектов формы и сплошности материалов на базе численного моделирования и определения наиболее эффективных технологических режимов. Управление формой и скоростью заготовок в процессах обработки давлением импульсного магнитного поля (ИМП) позволяют получать тонколистовые детали с минимальным объемом дефектов формы при минимальной трудоемкости и себестоимости. Управление интенсивностью упругопластической волны сжатия в материалах при воздействии ИМП на заготовки позволяет уменьшить объем дефектов сплошности материала, что оказывает позитивное влияние на служебные свойства деталей. Разработанные методы и средства управления технологическими процессами обработки давлением ИМП существенно повышают качество штампуемых деталей, снижают затраты производства при освоении новых изделий, уменьшают объемы трудоемких упрочняющих и ручных доводочных работ в опытном и серийном производстве.
Таким образом, комплексные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение проблемы повышения качества штампуемых изделий путем уменьшения технологических дефектов формы и сплошности материалов, а также на разработку основ проектирования эффективных технологических процессов импульсной обработки, являются актуальными.
Цель работы. Повышение качества и улучшение эксплуатационных свойств изделий из алюминиевых сплавов методом магнитно-импульсной обработки давлением.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены путем математического моделирования. Основные уравнения механики сплошной среды замыкались соотношениями модели упругопластического течения Прандтля - Рейсса. Численный анализ и программная реализация основаны на модифицированном методе Уилкинса.
Экспериментальные исследования осуществлены с применением современных методов электронной микроскопии, высокоскоростной фотосъемки и регистрации высокоскоростных деформаций с помощью лазерного устройства и фотоэлектронного умножителя. Для обработки и анализа экспериментальных данных использован теоретико-вероятностный метод.
Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов численного моделирования с результатами экспериментов и тестовых расчетов; проведением экспериментальных исследований на аттестованном оборудовании, оснащенном поверенной аппаратурой и приборами контроля; промышленным использованием инженерных номограмм для определения эффективных технологических режимов воздействия ИМП, а также разработанных индукторов и способов обработки.
На защиту выносятся:
- научно-методические основы разработки управляемых импульсных
процессов обработки давлением деталей машин и летательных аппаратов;
- методики определения наиболее эффективных параметров импульсного
воздействия на основе численного моделирования: во-первых, для деталей,
содержащих дефекты сплошности структуры материала, с определением
механизма воздействия упругопластических волн, оценкой изменения объема
несплошностей, в зависимости от импульса давления в зоне, близлежащей к
поверхности дефекта; во-вторых, для тонкостенных листовых деталей,
имеющих дефекты формы, с определением напряженно-деформированного
состояния, предельных степеней деформации и возможных мест разрушения;
методы воздействия давления ИМП для уменьшения дефектов сплошности, возникших в зонах пластических деформаций и при обжиме множества элементов, с целью улучшения эксплуатационных свойств изделий;
методы управления высокоскоростным поведением заготовки, ее контакта с оснасткой, инерционного разглаживания гофров из условия получения деталей заданной точности;
- методы и рекомендации по проектированию и выполнению
технологических процессов, инструмента (индукторов), оснастки при
штамповке и обработке давлением ИМП, улучшающими эксплуатационные
свойства деталей;
- зависимости сопротивления деформированию от скорости и степени
деформации для/^/-сплавов типа Д16АМ и В95пчАМ при обработке образцов
давлением ИМП;
- результаты экспериментальных исследований по влиянию импульсной
обработки на изменение структуры и пористости плоских образцов из AI-
сплавов после магнитно-импульсной обработки, а также на форму и размеры листовых деталей при формообразовании давлением ИМП. Научная новизна.
1. Разработана методика и проведена адаптация программного
комплекса KRUG24 для моделирования поведения алюминиевых сплавов при
интенсивных нагрузках, вызванных ударом или магнитно-импульсным
воздействием, с определением наиболее эффективных параметров по
критерию минимизации объемов дефектов формы и сплошности материалов
деталей.
-
Путем численного моделирования ударного и магнитно-импульсного нагружения исследованы основные закономерности взаимодействия упругопластических волн с одиночными дефектами сплошности в материале. Установлено, что уровень нагрузки, необходимый для закрытия вытянутого дефекта в плоской постановке зависит от коэффициента вытянутости и мало зависит от угла подхода упругопластической волны. В осесимметричнои постановке уровень нагрузки, необходимый для схлопывания сферического дефекта (поры) зависит от коэффициента пористости.
-
В качестве характеристики импульсной обработки, не зависящей от метода нагружения, введено понятие импульса давления для зоны, прилегающей к поверхности дефекта сплошности. Определено, что зависимость изменения импульса давления в зоне поры от амплитуды импульсной нагрузки имеет максимальное значение, которое соответствует минимальной величине нагрузки, необходимой для полного смыкания пор.
-
Численно в двумерной постановке решена задача о компактировании системы тел в соединении типа «наконечник - электрожгут» при магнитно-импульсном воздействии.
-
Для расчета электромагнитной силы предложен подход, основанный на использовании величин плотности тока в заготовке и упрощенной модели магнитного объема, учитывающий основные параметры индуктора и физические свойства материала заготовки.
-
Установлены закономерности влияния свойств оснастки на ударный контакт листовой детали об оснастку, исследован характер протекания инерционного разглаживания гофров при ударе об оснастку на основе численного моделирования магнитно-импульсного формообразования листовых деталей при использовании уравнений механики сплошной среды в плоской и осесимметричнои постановках.
-
Путем электронной микроскопии структуры алюминиевых сплавов установлено, что после воздействия давления ИМП происходит уменьшение объема дефектов сплошности за счет пластического смыкания берегов пор и микротрещин, а также фрагментация структуры по поверхностям хрупких фаз в субзеренной структуре, дробление и измельчение локальных интерметаллидных включений.
Практическая значимость работы заключается:
в методике определения эффективных технологических режимов магнитно-импульсной обработки деталей давлением для повышения их качества;
в построении на основе численных расчетов номограмм, позволяющих в инженерной практике определять наиболее эффективные режимы магнитно-импульсной обработки для достижения наименьших объемов дефектов формы листовых деталей, дефектов сплошности структуры материалов, а также полного компактирования элементов при соединении наконечника с электрожгутом;
в рекомендациях по технологичному проектированию заготовок и деталей, а также в классификаторах высоконагруженных деталей, переводимых на обработку давлением ИМП, для опытного и серийного производства;
в диаграммах состояния /f/-сплавов типа Д16АМ, В95пчЛМ и их аппроксимации для скоростей деформации, характерных для магнитно-импульсной обработки;
в комплексных материалах по разработке и внедрению импульсных технологических процессов в производство, изложенных в Технологических рекомендациях: «Выбор основных параметров процессов штамповки листовых деталей ЛА давлением ИМП» (ТР 1.4.1819-90) и «Магнитно-импульсная обработка деталей трубопроводов ЛА для улучшения их служебных и производственных характеристик» (ТР 1.4.3821-95);
во вновь разработанных технологическом способе и формообразующей оснастке для импульсной штамповки листовых деталей давлением ИМП, защищенных авторскими свидетельствами, а также спроектированных конструкциях индукторов для магнитно-импульсной обработки листовых деталей и обжима наконечников электрожгутов.
Реализация полученных результатов. Методы расчета, методики проектирования технологических процессов, оригинальные конструкции индукторов и оснастки, технологические рекомендации, разработанные на основе выполнения более 15 хоз/договорных и roc/бюджетных НИР в 1984-2005г.г., в т.ч. в рамках Координационных планов ГКНТ, АН СССР и РАН (прогр. 072.06, зад. 11, п.п. ТІ и Т10 и 06.06 «Надежность»), при участии или под руководством автора, нашли практическое применение на Новосибирском авиационном производственном объединении (НАПО) им. В.П. Чкалова, Ульяновском авиационно-производственном комплексе, ОАО «ОКБ Сухого», НИАТе и др. организациях. Созданы участки и внедрены технологические процессы магнитно-импульсной обработки тонколистовых деталей ЛА.
В соответствии с актами внедрения экономический эффект только на предприятиях авиационной отрасли в эквивалентной оценке составляет около одного млн. руб. на одну машину среднего класса в год.
Апробация работы. Основные идеи и результаты диссертации доложены и обсуждены на 18 Всесоюзных, Российских,
Межреспубликанских конференциях, семинарах и совещаниях, на 5 Международных симпозиумах:
«Проблемы экономии энергетических ресурсов» (Новосибирск: НЭТИ, 1984); «Индукторы для магнитно-импульсной обработки», Тула, ТПИ, 1988г.); XII Юбилейной конференции молодых ученых Института машиноведения (Москва, 1989г.); Всесоюзных и Межреспубликанских научно-технической конференциях «Численные методы решения задач упругости и пластичности»: 11-й (Волгоград, 1989г.), 15-й (Новосибирск, 1997г.), 16-й (Новосибирск, 1999г.), 17-й (Новосибирск, 2001г.), 18-й (Кемерово, 2003г.), 19-й (Бийск, 2005г.); «Новые технологические процессы магнитно-импульсной обработки» (Куйбышев, КуАИ, 1990г.); «Научные основы высоких технологий» (Новосибирск, НГТУ, 1997г.); «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, ТГУ, 1998г.); «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, Институт гидродинамики СО РАН, 1998г.); Международных Российско-Корейских симпозиумах по науке и технологии: 3-м «КОРУС-99» (Новосибирск, НГТУ, 1999г.), 5-м «КОРУС-2001» (Томск, ТГУ, 2001г.), 6-м «КОРУС-2002» (Новосибирск, НГТУ, 2002г.), 7-м «КОРУС-2004» (Томск, ТГУ, 2004г.), 8-м «КОРУС-2005» (Новосибирск, НГТУ, 2005г.); «Динамика многофазных сред» (Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2001г.); «Наука. Промышленность. Оборона»: 2-й (Новосибирск, НГТУ, 2002г.), 3-й (Новосибирск, НГТУ, 2003г.); 4-м Российско-китайском семинаре по проектированию и испытаниям элементов ракетной техники (Новосибирск, НГТУ, 2004г.); 7-й Всероссийской конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, НФИ КемГУ, 2004г.).
Личный вклад автора диссертации заключается:
- в постановке задач, разработке методик теоретических и
экспериментальных исследований, анализе и обобщении результатов при
решении проблемы уменьшения технологических дефектов деталей путем
импульсной обработки давлением;
в определении критерия минимально необходимой импульсной нагрузки для полного смыкания дефектов сплошности в виде характеристики процесса — импульса давления в зоне поры;
в определении границ применения магнитно-импульсной обработки, при которых этот метод эффективен для уменьшения дефектов формы и сплошности материалов деталей из алюминиевых сплавов.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 38 научных работах, в том числе в I монографии и 19 статьях в журналах из списка, утвержденного ВАК для обязательной публикации результатов докторской диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 349 страниц и включает 177 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 263 наименований (24 стр.) и приложения (10 стр.).
Применение методов импульсной обработки давлением для повышения качества изделий
Во введении обоснована актуальность научной проблемы, практическая значимость рассматриваемой в диссертации тематики, сформулированы цель работы, научная новизна и основные положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе дан анализ состояния проблемы повышения качества и эксплуатационных свойств изделий при пластическом деформировании импульсными методами. Обоснован метод исследования - численное моделирование. Выявлены факторы, определяющие эффективность внедрения импульсной обработки, в частности импульсным магнитным полем (ИМП), сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе в двумерной и полной постановке в рамках модели механики деформируемого твердого тела численно проведено численное исследование влияния ударного воздействия на технологические дефекты при упругопластическом деформировании деталей. Для импульсного смыкания множества дефектов сплошности определено, что коэффициент пористости является характеристикой материала. Исследованы основные факторы, определяющие уменьшение пористости при импульсном нагружении материала: - исходный коэффициент пористости; - амплитуда, форма, время действия импульсной нагрузки; - динамический предел текучести материала обрабатываемых деталей. Исследован механизм ударного контакта заготовки с оснасткой и инерционного разглаживания гофров.
Третья глава посвящена теоретическим исследованиям влияния давления ИМП на дефекты сплошности алюминиевых сплавов. Определены предельные значения плотности наведенных ИМП токов в детали, при которых материал не плавится и не разрушается в зоне дефектов. Исследован процесс магнитно-импульсного компактирования элементов в системе многоэлементных деталей. Определены наиболее эффективные режимы обжима системы "наконечник-электрожгут" давлением ИМП. Для полного компактирования электрожгута построена номограмма для инженерного использования в производстве при обжиме наконечников с помощью МИО.
В четвертой главе проводилось определение наиболее эффективных параметров импульсного воздействия для уменьшения технологических дефектов пластически деформируемых деталей. С помощью универсальной характеристики процесса - импульса давления в зоне поры - определены наиболее эффективные режимы импульсной обработки ударом и ИМП. Предложена методика для инженерного расчета эффективных технологических режимов импульсной обработки с составлением номограмм. По результатам численного моделирования и определения наиболее эффективных параметров ударной и магнитно-импульсной нагрузки построены номограммы, определяющие заданное уменьшение объема дефектов в материалах с различной исходной пористостью, плотностью и динамическим пределом текучести. Для наиболее эффективной магнитно-импульсной штамповки тонколистовых деталей из алюминиевых сплавов предложена методика оптимизации параметров нагрузки. Для инженерного расчета соответствующих наиболее эффективных технологических режимов магнитно-импульсной штамповки листовых деталей составлены номограммы.
В пятой главе проведены экспериментальные исследования по определению влияния магнитно-импульсной обработки на алюминиевые сплавы и детали из них. Определялось влияние импульсной обработки давлением на изменение пористости. Приведены результаты экспериментальных исследований процессов магнитно-импульсного формообразования листовых деталей, методы управления параметрами внешней нагрузки, изучена кинематика движения заготовок. Проведено сравнение результатов экспериментов с результатами численного моделирования. Построены диаграммы а(є) для /-сплавов Д16АМ и В95пчАМ при высокоскоростном деформировании давлением ИМП.
Шестая глава посвящена практическому использованию и опытно-промышленному внедрению результатов исследований. Разработаны эффективные методы штамповки и обработки давлением ИМП. Составлены рекомендации по конструкции заготовок для листовых деталей, технологического оснащения для штамповки и упрочняющей ИМП, индукторов для штамповки, обработки и сборки-обжима. Приведен анализ технико-экономической эффективности и перспективы дальнейшего развития процессов.
В общих выводах представлены основные результаты работы, сформулированные по итогам проведенных исследований.
В приложениях представлены: общий классификатор высоконагруженных деталей, которые можно изготавливать с применением МИО; классификаторы листовых деталей и деталей трубопроводов, рекомендуемых к изготовлению с использованием давления ИМП; акты внедрения.
Работа содержит 349 страниц и включает 177 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 263 наименований (24 стр.) и приложения (10 стр.).
В целом данная работа посвящена исследованию влияния импульсных методов обработки давлением, в частности давлением ИМП, на повышение качества и работоспособности, а также экономичности изготовления деталей машин, самолетов и других изделий в современном промышленном производстве.
Для теоретических исследований принят метод численного моделирования высокоскоростных процессов обработки деталей с учетом импульсного характера распространяющихся напряжений и деформаций, а также с учетом электродинамического воздействия на электропроводные материалы при магнитно-импульсной обработке.
Экспериментальные работы проводились с целью подтверждения теоретических расчетов. Использованы: электронная микроскопия для сравнения микроструктуры материалов, подвергнутых магнитно-импульсной обработке и без нее; высокоскоростная съемка с помощью камеры ВФУ-1. Для исследования изменения эксплуатационных свойств материалов после МИО применялись испытания плоских образцов на усталостную долговечность.
Результаты работы получили внедрение на предприятиях: Новосибирском АПО им. В.П.Чкалова, НИАТе, Новосибирском филиале ОАО "ОКБ Сухого", НовосибНИАТе.
Тестовые расчеты прохождения упругих волн в сплошных телах переменного сечения, системах тел и телах с множеством пор
В работах [166,237] теоретически и экспериментально было исследовано явление отскока коротких осесимметричных стержней из материала, подчиняющегося модели упругопластической среды, при ударе по жесткой преграде. До некоторой скорости удара, характерной для каждого материала, время контакта таких стержней с преградой, при одинаковых геометрических размерах, остается постоянным. Данный режим соответствует упругому поведению среды. При дальнейшем повышении скорости удара появляются пластические деформации, и изменение времени контакта становится существенно зависимым от скорости удара. Критерием, определяющим время контакта, выбиралось условие отделения всех точек границы тела от преграды. В настоящей работе в целях решения тестовых задач рассматривается распространение упругих волн по телам простой формы (рис. 2.5) - стержень, усеченный конус, шар; по системам, состоящих из таких тел [238]; и по телам, содержащим множество пор. Для сравнения расчетов используем понятие пористости, аналогично (1.2), через коэффициент пористости: a=Vnop/ УТЕЛА Характерный размер тел связан с диаметром шара =2мм. Диаметр цилиндра равен высоте d=h=D. Материал тел - А /-сплав с динамическим пределом текучести Y0 = 300 МПа.
Основные параметры Л/-сплавов используемых для численных расчетов, имеют значения: коэффициент объемного сжатия К = 72 ГПа; модуль сдвига fi = 24,8 ГПа; плотность р =2700кг/м ; динамический предел текучести принимает значения Y0 =150...400 МПа
В качестве математической модели среды используется модель (2.1)-(2.12). Численная реализация алгоритма для решения этих уравнений выполняется в рамках явной разностной схемы модифицированным методом Уилкинса в координатах Лагранжа [167,238] с использованием программного комплекса KRUG24. Источниками возмущений является удар тела или системы тел по абсолютно жесткой преграде с начальной скоростью удара
Для исследования абсолютно упругого поведения материалов в численных расчетах динамический предел текучести (Y0) принимается на 2-3 порядка больше обычного значения. Факт постоянства времени контакта для цилиндрических тел, или близких к ним по форме (усеченные конуса) подтверждается в широком диапазоне скоростей и показан на рис. 2.6. В данном случае это соответствует постоянству "средней" скорости распространения возмущений по телам такой формы. Здесь следует отметить, что время контакта для усеченных конусов зависит от того, каким торцом происходит удар по преграде. Время контакта больше при ударе узким торцом. Из теории Сен-Венана следует, что время контакта длинных цилиндрических стержней с преградой должно равняться времени двойного пробега упругой волны со стержневой скоростью по длине стержня. В нашем случае это выполняется и для относительно коротких (длина больше трех калибров) стержней. При ударе упругого стержня по жёсткой преграде, время контакта равно tK = 2Ljvye - где L - продольный размер тела, vye скорость упругих волн. В расчетах определялось время контакта тела с преградой. Поэтому, при известном времени контакта и длине стержня, можно определить среднюю скорость распространения возмущений по телу: Далее полагаем, что эта зависимость сохраняется для тел переменного сечения, систем тел и для пористого материала. Из графиков на рис. 2.6 следует, что средняя скорость упругих волн для тел, отличающихся от цилиндра, зависит от их формы. Следует отметить, что эта скорость не зависит от характерного размера тел (D=h), так как при изменении последнего пропорционально увеличивается время контакта. Влияние формы тела на время контакта в значительной мере проявляется для шара. Здесь эта зависимость определяется скоростью удара. Данный факт достаточно хорошо известен из анализа задачи об ударе шара с использованием теории Герца и неоднократно проверялся экспериментально [232]. Общий вид формулы для времени контакта шара имеет вид [232] где А - константа, зависящая от прочностных свойств материала, D - диаметр шара, Уо-скорость удара. Однако при этом прохождение упругих и упругопластических волн в теле не рассматривается, а исследуются только деформации в приконтактной области с использованием гипотезы Герца о виде зависимости силы от этих деформаций. Полученная в численных расчетах задачи в полной постановке зависимость времени контакта (см. рис. 2.6) упругого шара от скорости удара достаточно хорошо согласуется как с этой теорией, так и с экспериментом, представленным в работах [232,239]. Тестовые расчеты показали, что: время контакта tK одиночных тел различной формы при ударе по абсолютно жесткой преграде существенно зависит от формы тела; согласно классическим представлениям, при упругом взаимодействии tK для тел цилиндрической формы не зависит от Ууд , что соответствует теории Сен-Венана; для тел в виде усеченного конуса tK зависит от площади контакта и не зависит от скорости удара; для шариков зависимость tK от скорости удара соответствует классическим результатам теории Герца.
Возможные диапазоны параметров МИО в зависимости от плотности импульсных токов
В процессе изготовления металлических деталей конструкций машин, ЛА и т.п. в них появляются дефекты структуры материала. К ним относятся внутренние межзеренные несплошности, микротрещины, а также микродефекты, забоины, царапины на поверхности. Эти дефекты могут быть устранены при импульсной обработке давлением [40,41,45,240]. К таким процессам относятся: обработка взрывом, гидровзрывная, электрогидроимпульсная, магнитно-импульсная обработка материалов. Общим для этих процессов является то, что в результате импульсного нагружения в материале образуется ударная упругопластическая волна. При прохождении ударной волны достигается эффект "залечивания" микродефектов и усталостных микротрещин, что позволяет увеличить усталостную прочность, а следовательно - надежность и ресурс изделий [34,88].
При взаимодействии ударной волны с несплошностью структуры происходит пластическое деформирование границ дефекта материала и сокращение объема несплошности. При достижении достаточного импульса давления, зависящего от геометрических параметров дефекта и механических свойств материала, происходит полное смыкание дефекта.
Экспериментальное исследование процессов, происходящих в материале при импульсном воздействии, затруднено в связи с их малой информативностью. Поэтому целесообразно применять для оценки режимов обработки математическое моделирование.
Для описания поведения среды используется модель упругопластического материала в лагранжевых координатах. Основные уравнения математической модели (2.1)-(2.16), представлены в п.2.1. Численная реализация алгоритма для решения этих уравнений выполняется в рамках явной разностной схемы модифицированных методом Уилкинса. Расчет производится путем составления подпрограмм и объединения их с программным комплексом KRUG24 [167,170].
В расчетной области строится разностная сетка из треугольных ячеек, в узлах которых определяются значения координат и скоростей, а в ячейках плотность, компоненты тензоров напряжений и скоростей деформаций, внутренняя энергия и т.д.
Расчетной областью является цилиндр в осесимметричном случае (рис. 2.13, а, в) или полу бесконечный параллелепипед с прямоугольным сечением в плоском случае (рис. 2.13,6). Нагружение материала осуществлялось путем удара тела, имеющего начальную скорость v0, по абсолютно жесткой преграде. Проводится численное математическое моделирование процесса ударного воздействия на материал с дефектами структуры на поверхности (рис. 2.13,а), внутренними многоугольными (ромбовидными) несплошностями (рис. 2.13,6) и круглыми порами (рис. 2.13,в). Нагружение материала осуществлялось путем удара телом в направлении нормали к абсолютно жесткой преграде со скоростью 1.
В результате удара у поверхности контакта тела и преграды формируется упругопластическая волна сжатия, распространяющаяся вдоль тела. При взаимодействии этой волны с дефектом происходит его пластическое деформирование и смыкание. Дефект начинает уменьшаться, и при некоторой скорости Vd=Vm, конкретной для каждого набора геометрических и прочностных параметров, происходит полное схлопывание дефекта. При наличии у дефектов острых углов в расчетах, при V(j vm, может наблюдаться резкое увеличение скорости движения точек вблизи этих углов, связанное с явлением кумуляции. Поэтому требуется оптимизация параметров импульсного нагружения.
При проведении численного моделирования импульсного нагружения тел рассматривалось прохождение волн сжатия и разгрузки, исследовалась возможность смыкания ("залечивания") данных дефектов, выделение вблизи них дополнительной энергии, уровень напряжений, температур и т.п. на границах дефекта.
Сначала рассматривается удар осесимметричного цилиндра из материала с механическими свойствами меди с поверхностным дефектом - коническим углублением на торцевой поверхности (см. рис. 2.13,а). Начальная скорость удара Vg варьировалась от 5 до 100 м/с, длина дефекта Z=(2...3)MM, высота Я=(0,1...1,6)мм.
Характер деформирования материала вблизи границы поверхности исследован в результате расчетов, проведенных при различных отношениях высоты дефекта к его длине: который назовём коэффициентом вытянутости дефекта.
В процессе смыкания дефекта при д 0,/ границы поверхностного дефекта сдвигаются вниз от периферии к центру равномерно. Повышение внутренней энергии сначала наблюдается на периферии дефекта и в ходе смыкания перемещается к оси симметрии стержня.
При кв 0,1 растет минимальная скорость, необходимая для закрытия дефекта, и сам процесс существенно отличается от описанного, что схематически показано на рис. 2.14. Начальная форма поверхностного дефекта имеет форму, показанную на рис. 2.14,а. После охвата волной сжатия всей границы дефекта начинается движение его боковых областей к преграде, а центральная часть не затрагивается деформацией (рис. 2.14,6).
С ростом начальных скоростей удара в области А происходит резкий рост и скорости движения граничных узлов, что создаёт условия для образования кумулятивной струи, направленной в сторону преграды. Так при начальных скоростях удара д/ 100 м/с наблюдались скорости движения точек зоны А до 700...900 м/с, причем, чем больше кв, тем больше скорость и энергия в зоне дефекта. При закрытии дефекта происходит концентрация энергии в области
Сопоставление расчетов удара тел с дефектом и без него показывают, что на концах дефекта наблюдался рост удельной энергии много больший, чем в сплошном материале при отсутствии царапины. На рисунке 2.15 приведены изменения максимального значения удельной внутренней энергии, в зависимости от размера дефекта и начальной скорости удара. В обозначениях первая цифра соответствует длине, а вторая высоте дефекта в сантиметрах.
Определение эффективных параметров амплитуды нагрузки при импульсной обработке при импульсной обработке материалов с дефектами сплошности
Представленный процесс практически не меняется при изменении расстояний а 0,4гц . В случаях, когда а 0,4гп , характер смыкания несколько отличается. Смыкание пор в данном случае уже не имеет ярко выраженного ступенчатого характера, а идет в основном совместно. При а 0,4гп , v начинает стремится к значению v , необходимому для смыкания верхней поры (рис. 2.27). Расстояние а 0,2гп не рассматривалось. При анализе зависимости Vm от а/гп (рис. 2.29) с точки зрения коэффициента пористости видно следующее. Скорости закрытия первой поры (vjn ) соответствуют смыканию пористости, образованной только одной первой порой. Скорость закрытия второй поры (v m ) соответствует смыканию пористости, образованной обеими порами При а 0,4гп поры начинают стремиться к объединению, и при совместном смыкании в объединенный промежуток времени, когда дефекты создают суммарную пористость, скорость Процесс ударного нагружения тела с системой из 4-х пор, 6-ти и 9-ти пор, при их расположении в 2-3 ряда, рассматривался в плоской постановке так же, как в п.2.2 (см. рис. 2.6). Смыкание пор происходит также ступенчато -по продвижению упругопластической волны сжатия. Вначале закрываются нижние, а затем выше расположенные поры. На рис. 2.30 представлена типовая кинематика смыкания 4-х пор (а0«0,0314) при v0 =240 м/с. При наличии в материале множества дефектов, их взаимное влияние усложняет ударно-волновую картину. Например, ниже расположенный дефект замедляет смыкание дефекта над ним. Наибольшая энергия выделяется на самых близких к контактной поверхности порах, т.е. ударная волна несколько ослабляется на каждом слое пор. Однако, для всех случаев определено, что независимо от числа пор минимальная скорость удара (Vo = vm), при которой смыкаются все дефекты в расчетном объеме, примерно одинакова для одинакового коэффициента пористости в рассматриваемых пределах щ 3,5-10 2. Таким образом, Хо при обобщении результатов становится удельным показателем для единицы объема.
Как уже отмечалось зависимость vw(cto) близка к линейной (см. рис. 2.25). Результаты расчетов по системе из четырех пор в плоской постановке в виде зависимости vm(ao) показаны на рис. 2.31. Количественно зависимость Vmfao) (рис. 2.31), полученная в плоской постановке по четырем порам, в отличие от зависимости, построенной для единичной поры в осесимметричном случае (см. рис. 2.25), проходит примерно на 5...10% ниже.
Это отличие возникает из-за разницы напряженно-деформированного состояния при деформировании круглого цилиндрического отверстия и сферической поры. Однако, качественно зависимости vm от осо в осесимметричном и плоском случаях соответствуют друг другу. При этом наиболее труднодеформируемым дефектом остается сферическая пора. формообразующей оснасткой
Изготовление листовых деталей требует разработки эффективных технологических процессов, позволяющих существенно улучшить как эксплутационные показатели, так и экономичность в производстве. Во многом современным требованиям отвечают процессы с использованием высокоскоростного нагружения при формообразовании деталей. Одним из таких методов является магнитно-импульсная обработка (МИО), который позволяет производить воздействие высокоэнергетических ИМП на детали из электропроводящих материалов. При этом возможно проведение бездоводочной штамповки деталей из листа [65,66,85,184].
Однако указанные достоинства метода МИО проявляются только в случае рационального выбора параметров. Поэтому для изучения процессов импульсного воздействия на листовые заготовки и определения оптимальных режимов обработки необходимо проводить математическое моделирование в сочетании с экспериментальной проверкой расчетов.
Среди высоконагруженных деталей, можно выделить детали типа "борт-стенка". В процессе формообразования образуются технологические дефекты формы в виде гофров, пружинения и т.п. Поэтому возникает необходимость проведения доводочных работ по правке деталей и разглаживанию гофров [65,66].
При импульсной штамповке листовых деталей с отбортовкой по контуру на конечной стадии формообразования происходит ударный контакт борта детали с оснасткой (матрицей, пуансоном, формблоком). При ударе возникает упругая разгрузка борта за счет снятия инерционных растягивающих напряжений вдоль образующей, а также динамическое пружинение или отскок борта.
Для определения наиболее эффективных режимов импульсной штамповки листовых деталей с отбортовкой по контуру необходимо знать зависимость величины отскока борта от скорости удара об оснастку. Кроме того, нужно оценить влияние материала оснастки на отскок.
Примем допущения, что процесс адиабатический и внешние источники тепла отсутствуют. Анализ процессов импульсной обработки будем проводить на основе численного моделирования в рамках механики деформируемого твердого тела, используя уравнения (2.1)-(2.16), включающие следствия законов сохранения массы, импульса и энергии, соотношения упругопластического поведения материала Прандтля-Рейсса, критерий пластичности Губера-Мизеса, граничные и начальные условия
Для реализации численного решения деформирования заготовки с учетом ударного контакта об оснастку в рамках явной разностной схемы сквозного счета типа Уилкинса с использованием треугольных ячеек на языке "Фортран" составлялась подпрограмма реализации численного расчета, объединявшаяся с программным комплексом KRUG24 [167,170].
