Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие механики деформируемого твердого тела неразрывно связано со всеми отраслями промышленности, где используются передовые достижения науки и техники, в т.ч. и с авиационной промышленностью.
Изыскание и разработка новых, а также усовершенствование существующих в настоящее время технологий связано с возрастанием требований к качеству и экономичности выпускаемых изделий, в т.ч. и самолетов. Это уменьшает материалоемкость конструкции, увеличивает удельную прочность и жесткость деталей планера, позволяет применить все более высокопрочные и труднодеформируемые металлы при увеличении монолитности и точности изготавливаемых деталей. Трудоемкость каждой преемственно-последующей машины увеличивается на 20 ... 50 % при постоянном уменьшении количества работающих в производственной сфере.
Одним из важнейших элементов конструкции самолетов являются трубопроводы, по объему холоднодеформируемых деталей в конструкции летательных аппаратов (ЛА) они составляют вместе с листами и профилями 70...80 %. По трудоемкости трубопроводы равны 10 % от изготовления деталей планера, в т.ч. патрубки составляют 10 - 15 % от трудоемкости заготовительно-штамловочных работ (см. рис. 1).
В трубопроводных системах ЛА широко используются детали типа тройников, переходников, крутоизогнутых патрубков, фитингов. Номенклатура таких деталей на самолетах легкого класса исчисляется сотнями, а на самолетах тяжелого класса - тысячами. Штампо-сварные патрубки составляют 20 - 40 % от общего производства деталей систем трубопроводов, от которых во многом зависит надежность в эксплуатации и ресурс летательных аппаратов (ЛА).
Трубопроводы работают в условиях сложного нагружения. Они испытывают действие высоких давлений, пульсирующей нагрузки и гидравлических ударов, поэтому к ним предъявляются высокие требования по физико-механическим свойствам материала, по чистоте внешней и внутренней поверхностей, по искажению формы сечения, а также по максимально допустимому утонению стенок трубы.
Практика эксплуатации показывает, что наибольшее количество
Трубопроводы
Объем холоднодефор-
мируемых деталей в
конструкции ЛА /по
Трубопроводы
ном7
Трудоемкость изготовления деталей планера
Аварии и катастрофы
По бине разрушений трубопровода
Преимущества процессов формообразования деталей из трубчатых заготовок:
высокая экономическая эффективность, возможность механизации и автоматизации, получение деталей с заданными точностью и физико-механическими свойствами
Су7 Су!7 Су25 Су27 Су35
Рис. 1. Основы проектирования эффективных процессов формообразования леталей из трубчатых заготовок
разрушений трубопроводов связано с утонением s местах изгибов и резкого перехода от одного диаметра к другому. Значительно снижают работоспособность трубопроводов такие факторы, как чрезмерная эллипс-ность и волнистость стенок, то есть те нежелательные явления, которые сопровождают процесс деформирования заготовки в деталь.
Это свидетельствует о том, что процессы деформирования должны обеспечивать высокие и стабильные физико-механические свойства материала труб, высокую чистоту внутренней и внешней поверхностей, минимального утонения и искажения формы сечения элементов трубопроводов.
Эти требования приводят к необходимости разработки принципиально новых способов изготовления элементов труб из тонкостенных алюминиевых, титановых и коррозионностойких стальных трубчатых заготовок (ТЗ), которые могли бы обеспечить высокое и стабильное качество трубопроводов.
Кроме обеспечения функциональных качеств элементов трубопроводов, технологические процессы их получения должны быть универсальными, гибкими, недорогими и нелефниитными, должны легко механизироваться и автоматизироваться.
В представленной диссертации на базе проведенных исследований разработаны высокоэффективные процессы пластической деформации на основе математического моделирования процесса деформирования и его оптимизации. Выявление основных параметров процессов и управление ими позволяет увеличить степень деформации за один переход в 2 раза, .получать детали заданной точности и внутренней чистоты поверхности при минимальной трудоемкости и себестоимости, улучшить физико-механические свойства и повысить ресурс изготавливаемых деталей.
Разработанные методы и средства управления процессами пластической деформации существенно снижают затраты производства при освоении новых изделий в особенности из высокопрочных груднодеформи-руемых сплавов, уменьшают или ликвидируют объем ручных работ в опытном и серийном производствах.
Цель работы
Изучение процесса получения детаїей при деформировании трубчатой заготовки, усовершенствование и освоение новых технологий.
Методы исследования, использованные в работе, включают в себя:
математическое моделирование и исследование процессов пла стического деформирования трубчатой заготовки с деталь;
исследование влияния технологических факторов на качество изготавливаемых деталей;
— экспериментальное исследование напряженно-
деформированного состояния (НДС) по изменению параметров методом
делительных сеток;
— статические, усталостные и виброиспытания образцов, металло
графические исследования макро- и микроструктуры, химический анализ
поверхностного слоя деталей после штамповки.
Научная новизна заключается в следующем:
— разработана математическая модель процесса раздачи труб по
жесткому пуансону, учитывающая влияние сил трения между заготовкой
и поверхностью пуансона, упрочнение материала в процессе деформиро
вания, силовую, термическую и электротермическую интенсификации;
— выполнен весь комплекс экспериментальных исследований ха
рактеристик деталей из алюминиевых и титановых сплавов и нержавею
щих сталей после разных схем нагружения, на основе которых предложе
ны и разработаны: оптимальные режимы энергетического и силового воз
действия на заготовку; определены оптимальные способы наталкивания
ТЗ на конусообразные пуансоны, например: пакетные, острым углом ТЗ
по вогнутой образующей рогообразного сердечника, создание противо
давления со стороны переднего торца ТЗ за счет упорного кольца; опре
делены оптимальные сборно-разъемные конструкции пуансонов, обеспе
чивающие необходимый температурный режим и трение.
Достоверность работы подтверждается использованием при теоретических исследованиях фундаментальных уравнений механики деформируемого твердого тела, апробированного численного метода решения дифференциальных уравнений пластического течения, удовлетворительным соответствием теоретических и экспериментальных данных в проводимых исследованиях.
Практическую значимость работы определяют: — методика расчета эффективных типовых процессов формообразования деталей из трубчатых заготовок, оригинальные конструкции ос-
настки, методы штамповки, защищенные рядом авторских свидетельств и патентов на изобретения;
рекомендации по технологическому проектированию заготовок и деталей, а также классификатор деталей, переводимых на изготовление деталей из трубчатых заготовок для опытного и серийного производства;
гистограммы газонасышения, микротвердости и изменений химического состава поверхностного слоя металла детали после электротермического воздействия;
— комплексные материалы по разработке и внедрению технологи
ческих процессов, изложенные в РТМ 1.4.1245-83 "Формообразование
элементов трубопроводов метолом раздачи трубных заготовок с нагре
вом", РТМ 1.4.1999-90 "Производство сварных высокоресурсных трубо
проводов", РТМ 1.4.20 і9-90 "Формообразование элементов трубопрово
дов с нагревом", СТП 671.135.89 "Унифицированные элементы трубо
проводных систем" и трудах НИАТ № 417 и 428.
Реализацию в промышленности подтверждают:
методы расчета, методики проектирования и практические рекомендации, разработанные на основе выполнения НИР в 1982 - 1997 г.г. под руководством и при участии автора, нашли практическое применение на предприятиях авиационной промышленности. На Комсомольском-на-Амуре АПО создан комплексно-механизированный участок по серийному изготовлению деталей из трубчатых заготовок из алюминиевых и титановых сплавов и нержавеюших статей, кроме того, данная технология передается по лицензии в Шэньянскую самолетостроительную компанию (КНР). Годовой экономический эффект от внедрения разработок составляет 80 млрд. руб. (в ценах 1995 г).
Апробация работы заключается з том, что основные разделы и результаты работы доложены и обсуждены на межотраслевой конференции "Прогресс в области обработки труб" (Хабаровск, 1984); отраслевой конференции "Опыт создания высокоресурсных трубопроводов" (Москва, НИАТ, 1985): отраслевом совещании '"Проектирование и изготовление высокоресурсного трубопровода большого диаметра" (Киев, НИАГ, 1988): отраслевой конференции "Разработка малоотходной технологии и создание высокопроизводительного оборудования для специализированного производства отводов к трубопроводам, изделий и технологических установок" (Москва, НИАТ. 1992); международной конференции "Технические средстза. методы расчета прочностных характеристик, тех-
нологии, обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкций из новых материалов в машиностроительной, горнодобывающей и нефтегазовой промышленности" (Комсомольск-на-Амуре, КнАПИ, 1992); ВДНХ СССР, Выставке Заслуженных шобретателей РСФСР 1992 г., где экспонат был удостоен Золотой медали; международном научно-техническом симпозиуме "Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока" (Комсомольск-на-Амуре, КнАПИ, 1994); 4-й Дальневосточной научно-практической конференции "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий (Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ, 1995); 4-й Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов (Воронеж, ВГТУ, 1996); Всемирном Салоне изобретений Брюссель-Эврика (Бельгия, 1995,1996), где экспонаты были удостоены серебряной и золотой медалей; международной научно-технической конференции «Проблемы механики сплошной среды» (Комсомольск-на-Амуре, 1997); семинаре научно-исследовательского института авиационной техники Шэньянской самолетостроительной компании (КНР, 1998 г.); семинарах по проблемам сплошной среды в Институте автоматики процессов управления ДВО РАН (Владивосток, ИАПУ, 1997-1998).
Публикации.
Основные результаты исследований опубликованы в 77 работах, в том числе: 7 монографиях, 32 изобретениях, 38 научных трудах, статьях и докладах.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 200 стр. основного текста, 93 рисунка, 20 таблиц, список литературы и приложения.
Личный вклад автора. Во всех 77 работах автор самостоятельно проводил все теоретические и экспериментальные исследования, и разделы, касающиеся изготовления элементов трубопровода, были написаны лично автором, 12 работ выполнены без соавторов. Во всех научно-исследовательских работах автор, как начальник научно-производственной лаборатории, являлся ответственным исполнителем всех отчетов по этапам работ и непосредственным исполнителем соответствующих разделов.