Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Кинетические уравнения ползучести и сверхпластичности 13
1.2. Проблемы и перспективы ОМД крупногабаритных деталей 23
1.3. Технология и оборудование для формообразования деталей в медленных режимах деформирования 34
1.4. Анализ подходов к расчету процессов формообразования крупногабаритных деталей в медленных режимах деформирования 44
1.5. Задачи и методы исследований 49
ГЛАВА 2. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных 52
2.1. Оборудование для испытаний элементов конструкций с заданием кинематики процесса деформирования 53
2.1.1, Нестандартное лабораторное оборудование для реализации постоянства скоростей деформации при кручении и скоростей изменения кривизны при изгибе 53
2.1.2. Многопуансонное оборудование для задания кинематики процесса деформирования элементов конструкций 59
2.2. Постановка и методика проведения испытаний 63
2.3. Обработка экспериментальных данных с неоднородным напряженным состоянием по методу характеристических параметров 74
2.3.1. Суть метода характеристических параметров. Обоснование существования характеристической точки 74
2.3.2. Методика построения кривых деформирования на кручение при конечных деформациях 102
2.4. Метод интегральных характеристик на изгиб 113
Методика проведения экспериментов по определению аномалий деформационно-прочностных свойств материалов 122
Выводы 128
Кинетические уравнения для описания медленных режимов деформирования с учетом повреждаемости материала 130
Характеристика медленных процессов деформирования, их преимущества и недостатки 131
3.1.1. Классификация медленных процессов деформирования 131
3.1.2. Высокотемпературная ползучесть и ее связь со сверхпластичностью 145
3.1.3. Особенности медленных процессов деформирования, их преимущества и недостатки 156
Энергетический вариант теории ползучести 168
3.2.1. Основные гипотезы ЭВТП 169
3.2.2. Экспериментальная проверка определяющих уравнений при плоском напряженном состоянии 179
Вариант кинетических уравнений ползучести и повреждаемости со скалярным параметром повреждаемости 189
3.3.1. Определяющие уравнения и экспериментальная проверка гипотезы «единой кривой» повреждаемости при постоянной температуре 191
3.3.2. Методика определения параметров определяющих уравнений. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов 202
3.3.3. Описание процесса деформирования сплавов в диапазоне температур 212
3.3.3.1. Основные соотношения 212
3.3.3.2. Определение параметров уравнений ползучести и повреждаемости 220
Особенности процессов деформирования конструкционных сплавов в области высоких температур 1^0,51 228
3.4.1. Режим, близкий к сверхпластичности. Режимы сверхпластичности 232
3.4.2. Особенности деформационно-прочностного поведения сплавов в областях их структурно-фазовых превращений 248
Расчетно-экспериментальное обоснование возможности использования предложенных кинетических уравнений для описания процесса деформирования при неоднородном напряженном состоянии 261
3.5.1. Апробация уравнений энергетического варианта при неоднородном напряженном состоянии 261
3.5.1.1. Расчет чистого изгиба балок 262
3.5.1.2. Расчет чистого кручения и кручения с растяжением круглых валов 270
3.5.2. Расчет изгиба балок и кручения валов по уравнениям со скалярным параметром поврежденности 279
3.5.2.1. Изгиб балок под действием постоянного момента 280
3.5.2.2. Кручение сплошных валов с постоянной скоростью угла закручивания 286
3.5.3. Расчет элементов конструкций в режимах близких к сверхпластичности 290
3.5.3.1. Релаксационные задачи изгиба балок и чистого кручения квадратных пластин 291
3.5.3.2. Кручение круглых и прямоугольных стержней в режиме СП-течения 292
3.6. Выводы 296
ГЛАВА 4. Практическое использование результатов работы 299
4.1. Рекомендации по использованию техпроцессов формообразования в медленных режимах деформирования 299
4.1.1. Формообразование в режимах сверхпластичности и близких к сверхпластичности 300
4.1.1.1. Основные технологические параметры процесса формообразования деталей из конструкционной стали ВЛ-1Д в состоянии сверхпластичности 302
4.1.1.2. Технология формообразования деталей из алюминиево-магниевых сплавов 304
4.1.2 Рекомендации по технологическому процессу формообразования деталей из титановых сплавов в режимах ползучести 312
4.1.3. Формообразование в режимах вязкопластичности 314
4.1.4. Упругопластическое формоизменение в медленных режимах деформирования 320
4.2. Опытная оснастка и оборудование для отработки технологии формообразования 321
4.2.1. Лекальная оснастка 321
4.2.2. Многопуансонная установка штокового типа 324
4.2.3. Цельная оснастка из термобетона. Рекомендации по техпроцессу формообразования из тонколистового проката крупногабаритных высокоточных зеркал антенн 326
4.3. Расчет процесса формообразования крупногабаритных деталей в медленных режимах деформирования с учетом упругого восстановления 332
4.3.1. Постановка обратных задач 332
4.3.2. Приближенная методика расчета упреждающей геометрии оснастки для формообразования крупногабаритных деталей при изгибе 336
4.3.2.1 Расчет процесса изгиба, релаксация и упругого восстановления профилей по методу характеристических параметров 336
4.3.2.2 Режимы вязкопластичности. Неустановившаяся ползучесть 344
4.3.3. Расчет упреждающей геометрии оснастки для формообразования монолитных подкрепленных панелей одинарной кривизны 348
4.3.3.1 Расчет упреждающей формы оснастки для формообразования панелей с цилиндрической и конической поверхностями теоретического контура 348
4.3.3.2 Сравнение с результатами экспериментов на серийных панелях 351
4.4. Опытно-промышленное освоение технологии формообразования крупногабаритных деталей 354
4.4.1. Создание специализированных опытно-промышленных участков 354
4.4.2. Эффективность техпроцесса 356
4.5. Заключение 359
5. Основные результаты и выводы по работе 360
Литература 364
- Технология и оборудование для формообразования деталей в медленных режимах деформирования
- Суть метода характеристических параметров. Обоснование существования характеристической точки
- Определяющие уравнения и экспериментальная проверка гипотезы «единой кривой» повреждаемости при постоянной температуре
- Основные технологические параметры процесса формообразования деталей из конструкционной стали ВЛ-1Д в состоянии сверхпластичности
Введение к работе
В производстве современных изделий машиностроительного профиля с целью сохранения эксплуатационного ресурса на стадии изготовления наметились тенденции использования крупногабаритных цельнометаллических деталей, отформованных в режимах ползучести и сверхпластичности, типа монолитных подкрепленных панелей, длинномерных профилей, тонколистовых деталей оболочечного типа. Металлические материалы в машиностроении, на наш взгляд, будут играть определяющую роль еще длительный период времени. В дальнейшем для краткости изложения будем опускать слово "металлические 1.
Применяемые в промышленности металлы условно можно подразделить на две группы. В первую входят легко деформируемые сплавы, из которых можно получать заготовки и детали методами обычной штамповки, прессованием и т.д. Ко второй группе относятся материалы, обладающие высокими прочностными свойствами, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, длительной работоспособностью и другими свойствами, повышающими эксплуатационный ресурс изделий и снижающими их вес. Это специальные стали и современные сплавы на основе титана и алюминия, в том числе и алюмолитиевые. Они с трудом поддаются обработке давлением. Появился даже своеобразный термин "материал не технологичен", понимаемый в том смысле, что традиционными методами, используемыми в обработке материалов давлением (ОМД), из такого материала трудно что-либо изготовить: деталь уже на стадии изготовления исчерпывает весь эксплуатационный ресурс.
Замечено, что при импульсной обработке давлением, когда длительность процесса порядка тысячных долей секунды, потери эксплутационного ресурса на стадии изготовления минимальны. Этим объясняется большой интерес к взрывным методам обработки. За последние годы технологические процессы, основанные на импульсных методах, получили достаточно широкое распространение, и область их использования неуклонно растет, в основном, применительно к деталям небольших габаритов.
С увеличением длительности силового воздействия на материал в интервале длительностей порядка секунд (обычная штамповка, прессование, протяжка и т.п.) обобщенный комплекс физико-механических свойств материала, характеризующий эксплуатационный ресурс материала, падает и в ряде случаев может быть настолько низок, что для некоторых материалов эти операции становятся невозможными [134].
При дальнейшем увеличении длительности силового воздействия и температуры, с переходом в интервалы длительностей порядка минут и часов, кривая зависимости обобщенного физико-механического комплекса свойств от длительности воздействий снова начинает подниматься вверх и для некоторых материалов, с определенными температурно-скоростными условиями, можно попасть в так называемый режим сверхпластичности. ОМД в режиме сверхпластичности для многих металлов позволяет получить достаточно высокий комплекс физико-механических свойств материала, что полностью компенсирует дополнительные энергозатраты и увеличение длительности технологического процесса, делая его экономически целесообразным.
Аналогичная качественная картина - зависимость показателя деформируемости (относительная степень деформации) от скорости деформации и температуры - с металлофизических позиций применительно к явлению сверхпластичности описана в работе [68].
Как известно, состояние сверхпластичности (СП) проявляется только в определенном диапазоне температуры, при малой скорости деформации порядка lCrV1 и меньше и при определенных требованиях к структуре материала. К сожалению, не всегда возможно, а иногда и нецелесообразно, выполнять все условия, связанные с реализацией процесса деформирования в условиях СП. Один же из определяющих факторов этого процесса - медленное деформирование при повышенной температуре - обычно реализуется на практике без особых трудностей. В строгом понимании выше названного термина в этом случае будет деформирование не в режиме сверхпластичности, а в режиме ползучести, так как в общем вкладе необратимых деформаций подавляющую роль (а иногда и полностью) играют деформации ползучести, накопившиеся в материале за счет температурно-силового воздействия за длительный интервал времени. В этом смысле ОМД при медленных температурно-силовых воздействиях, когда основную роль играет продолжительность процесса (реальное физическое время), будем называть эквивалентным термином: ОМД в режиме ползучести.
Целью настоящей работы является изучение особенностей медленных режимов высокотемпературного деформирования современных конструкционных материалов с приложением к технологическим задачам по ОМД. Достижение этой цели предусматривает выполнение соответствующего комплекса исследований:
• экспериментальное изучение особенностей высокотемпературного поведения современных конструкционных сплавов при медленных режимах деформирования, обоснование возможности использования соответствующих кинетических уравнений для их описания и разработка методик определения входящих в них функций и коэффициентов;
• экспериментальное обоснование преимуществ медленных режимов деформирования применительно к ОМД, разработка методик проведения и обработки испытаний элементов конструкций с заданием кинематики процесса формообразования, а также разработка приближенных методов расчета процессов формообразования и упругого восстановления деталей;
• обоснование эффективности технологии ОМД в медленных режимах деформирования практической реализацией на ряде авиационных заводов с выдачей рекомендаций определения основных технологических параметров и основ конструирования соответствующего оборудования применительно к формообразованию крупногабаритных деталей.
В связи с вышеизложенным, диссертация состоит из трех основных частей.
В первой части диссертации (главы 1-2) приводится краткий обзор по кинетическим уравнениям высокотемпературной ползучести и сверхпластичности. Установлена взаимосвязь сверхпластичности и высокотемпературной ползучести. Анализируются проблемы формообразования крупногабаритных деталей в основном применительно к авиа- и судостроению, кратко дается анализ существующих технологий и методов расчета НДС при формообразовании за счет деформаций ползучести, а также имеющегося оборудования для формообразования тонкостенных подкрепленных деталей с фасонными поверхностями. На основе проведенного анализа ставятся задачи исследований. Приводятся описания . используемого нестандартного лабораторного оборудования в основном для задания кинематики медленных процессов деформирования, методик проведения испытаний и обработки экспериментальных данных.
Во второй части диссертации (глава 3) с феноменологических позиций механики деформируемого твердого тела (МДТТ) дается классификация медленных режимов деформирования и их преимущества по сравнению с быстрыми, начиная от комнатной температуры и выше - включая температуры проявления СП-течения. Конкретизируются имеющиеся и предлагаются новые определяющие уравнения с учетом поврежденности материала для описания рассматриваемых в работе медленных режимов деформирования. Возможность использования кинетических уравнений ползучести и повреждаемости иллюстрируется примерами расчета и сравнения с экспериментом на ряде простейших элементов конструкций.
В третьей части диссертации (глава 4, приложение) рекомендуются температурно-скоростные режимы деформирования применительно к формообразованию ряда современных конструкционных сплавов на основе титана, стали и алюминия и даются соответствующие рекомендации по технологии и конструированию нового технологического оборудования для формообразования крупногабаритных деталей одинарной и двойной кривизны. Приводятся примеры расчета процесса формообразования профилей и элементов оребренных пластин, для некоторых типовых элементов дается сравнение с экспериментом. Предлагается методика и расчетно-экспериментальное обоснование ее достоверности для приближенного расчета процесса формообразования натурных крупногабаритных панелей одинарной кривизны с учетом упругого восстановления. При расчете деталей двойной кривизны использовался метод конечных элементов (МКЭ). Для этих целей адаптирован пакет прикладных программ "Параметр 6Р", разработанный в Сибирском государственном индустриальном университете [261].
Эффективность новой технологии подтверждается опытно-промышленным освоением и созданием специализированных участков, актами внедрения на ряде заводов авиационной промышленности. Учитывая также заинтересованность в технологии формообразования в медленных режимах деформирования в условиях ползучести и сверхпластичности предприятий других министерств и ведомств, на наш взгляд, это направление перспективно как с точки зрения общетеоретического развития, так и с точки зрения технического приложения.
Все нижеизложенные результаты базировались на испытаниях, проведенных в лаборатории статической прочности института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. Основная часть работы выполнялась в соответствии с планами НИР Института "Разработка технологических процессов ОМД в режиме ползучести" (№ ГР 81103684), "Разработка теоретических основ ОМД в режиме ползучести и сверхпластичности" (№ ГР 01910001974), «Высокотемпературное термовязкопластическое деформирование конструкционных материалов и элементов конструкций» (№ ГР 01990002777) и другими, а также в рамках программы СО АН СССР "Механика , научные основы машиностроения и надежность машин" и программы АН СССР "Машина-человек-среда", в соответствии с приказом-распоряжением министерства авиационной промышленности и СО АН СССР от 31.08.1978г. №196/1500-717, проектов РФФИ (93-01-16506, 96-01-01671, 99-01-00526, 00-01-96203, 02-01-00738), грантов Совета поддержки Ведущих научных школ (96-15-96293, 00-15-96180, 319.2003.1) и ряда специальных программ.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту - заслуженному деятелю науки РФ, профессору О.В. Соснину за постоянное внимание к работе, благодарит сотрудников лаборатории И.В. Любашевскую, И.В. Сухорукова, И.А. Банщикову, И.Ж. Масанова, М.В. Волгину, Л.П. Пономареву, Г.Я. Софиенко, С.А. Колотвина, оказавших существенную помощь в проведении и обработке экспериментов.
Технология и оборудование для формообразования деталей в медленных режимах деформирования
В соответствии с действующими отраслевыми стандартами отклонение от ТК деталей обшивки корпуса в судостроении может достигать 10 + 12 мм для листовых деталей, для деталей из прессованных панелей - 20 мм [61], в авиастроении не допускаются отклонения более 1,5 мм. Несмотря на целый ряд преимуществ перед сборными (клепаными) конструкциями, крупногабаритные монолитные панели, длинномерные жесткости создали перед производством дополнительные трудности по их формообразованию. Имеющееся специализированное оборудование в машиностроительных отраслях широко применяется только для высокоточного формообразования обтяжкой с растяжением листовых деталей и прессованных профилей [59,62]. Использование дробеударного формообразования на установках типа УФПД-3 и УФПД-4 пригодно лишь для формообразования стрингерных панелей [60].
Наиболее трудоемкую для формообразования часть номенклатуры монолитных панелей имеют панели вафельного типа. Так достаточно отметить, что трудоемкость формообразования панелей пилонов самолетов "Мрия", "Руслан", центроплана изделия "Су-66" составляла более 200 нормочасов на одну деталь, причем доля ручного труда достигает до 70% для панелей с габаритами порядка 20x2000x4500 мм и массой детали до 100 кг. Формообразование повсеместно осуществляется ручной выколоткой по болитовому пуансону с предварительной гибкой на прессовом оборудовании.
Анализ номенклатуры оребренных монолитных панелей показал, что более 30% панелей современных отечественных самолетов формообразуются в неразвертывающиеся на плоскость поверхности двойной кривизны. Для панелей сложной кривизны малых габаритов и постоянной высоты ребер жесткости применяется многопереходная штамповка на прессовом оборудовании с использованием набора промежуточных штампов (матриц и пуансонов). При этом в ячейки панели укладывается заполнитель на основе церезина, и заготовка деформируется как плита. В качестве штамповой оснастки используются сопряженные и секционные штампы [63, 64]. Сопряженные штампы применяются для формообразования панелей с переменной кривизной по обоим направлениям, секционные - для гибки деталей, имеющих по одному из направлений постоянную кривизну. Для получения требуемой точности изготовления деталей геометрия штампа (в дальнейшем - рабочий контур (РК) -контур, по которому производится деформирование заготовки монолитной панели) должна быть выполнена с упреждением на величину упругой разгрузки. Ввиду сложности расчета упреждающей формы оснастки на величину пружинения геометрия РК уточняется по результатам опытной штамповки. Корректировка геометрии штампа увеличивает трудоемкость ее изготовления и делает этот способ экономически выгодным лишь в условиях многосерийного производства. Представляет интерес способ, согласно которому формообразование панели ведут по участкам до получения на каждом участке произведения главных кривизн, равного произведению главных кривизн ТК детали [65], а также способ обработки, когда двум противоположным поверхностям заготовки придают параболическую форму, ориентируя образующие параболических поверхностей ортогонально одна относительно другой. В процессе формообразования одну из параболических поверхностей выравнивают до плоской [66].
Особый интерес представляют способы формообразования с использованием стержневых форм, когда матрица образуется торцами неподвижных стержней (вообще говоря, переналаживаемых на другую геометрию), а пуансон - системой оппозитно установленных стержней или посредством какого-либо прижима [67]. Многопуансонные пресса в последние годы в связи с широким развитием робототехники занимают лидирующее положение при проектировании универсального специализированного оборудования. Достоинства и недостатки многопуансонного оборудования будут рассмотрены в следующем параграфе применительно к анализу формообразования деталей в режиме ползучести.
Для панелей больших габаритов по причине отсутствия соответствующего гибочного оборудования формообразование осуществляется впередвижку - по участкам с применением прессов типа КГЛ, СПП-160. Технология отличается большой трудоемкостью даже с использованием специально сконструированного для этих целей пресса ПП-250 с программным управлением точечного приложения нагрузки. При формообразовании по участкам сложно учитывать влияние соседних деформируемых участков друг на друга в процессе формообразования. Гибка путем локального деформирования приводит к возникновению переменного изгибающего момента, созданию зон цилиндрической жесткости и, как следствие, к возникновению значительных пластических деформаций, потере устойчивости ребер жесткости и даже возникновению макротрещин на стадии изготовления.
По этой причине возникают макротрещины при отработке процесса формообразования впередвижку крупногабаритных панелей двойной кривизны изд. "Су-24", изготовленных из сплава АК4-1Т. Максимальная длина трещины достигала 400 мм, основные трещины расположены по длине панели, имелось несколько поперечных трещин до 25 мм (рис. 1.3). Анализ микроструктуры зоны образования трещины показал, что трещины распространяются по границам зерен. Причиной зарождения трещин явились большие внутренние напряжения, возникающие при гибке с применением локальных ударных нагрузок.
Таким образом, наряду с широким применением прогрессивных методов металлообработки изготовления крупногабаритных панелей на станках с числовым программным управлением, на настоящий момент отсутствует эффективная технология и специализированное оборудование, позволяющее получать из цельнофрезерованных и цельнотянутых панелей детали двойной кривизны. Поэтому в конечном итоге при конструировании корпусных деталей ограничиваются плоскими, либо цилиндрическими, коническими и другими панелями с развертывающимися поверхностями и панелями двойной кривизны с небольшими габаритами, которые позволяют гладким образом сопрягать плоские и другие развертывающиеся поверхности обводов. Это и определяет высокую трудоемкость сборочно-сварочных и клепальных работ при изготовлении корпусов со сложными аэрогидродинамическими обводами, ухудшает товарный вид изделия.
Суть метода характеристических параметров. Обоснование существования характеристической точки
Свойства ползучести материалов использовались в технике с давних времен при высокотемпературной правке искривленных тонкостенных деталей и формовке тонколистовых деталей, так называемым способом термофиксации. Под термофиксацией в технике понимают процессы, основанные на совмещении операций формования и термообработки. Обычно покоробленную деталь или листовую заготовку в холодном состоянии "заневоливали" (зажимали) между двумя жесткими матрицами, имеющими поверхности, близкие к требуемой форме детали и помещали на длительное время в термокамеру. Происходил процесс релаксации внутренних напряжений (переход упругих деформаций в необратимые деформации ползучести), после охлаждения и освобождения детали из матриц ее форма была близка к той, какую имели сами матрицы. Как правило, процесс не моделировался и не просчитывался из-за сложности расчетов геометрии РК оснастки при переменной температуре, требуемая форма матриц подбиралась опытным путем по результатам распружинивания в нескольких экспериментах. В настоящее время термофиксация продолжает применяться в технологических процессах, когда разница между исходной и конечной формами детали невелика, в основном для калибровки деталей.
Первые сообщения о возможности использования явления ползучести в технологических процессах ОМД появились в 70-80 гг. в работах Н.Н. Малинина [3, 46], А.А. Поздеева [86], Б.Д. Копыского [87], О.В.Соснина [49, 50]. В этих работах впервые приведены общие соображения и экспериментальные данные о перспективности применения явления ползучести в технологических процессах ОМД, явления, вообще говоря, крайне "вредного" для техники в части касающейся эксплуатационных режимов. В [87] отмечается, что наряду с возможностью повышения точности изготовления деталей существенно повышаются прочностные свойства. Так, например, при формообразовании втулки из литейной бронзы ОФ10-1 предел прочности увеличился на 40%, показатель пластичности с 3 до 12%. Исследования по ОМД за счет деформаций ползучести опубликованы в ряде работ тех же авторов в соавторстве и частично отражены в монографиях [45-48].
В работах [50,88,89] автором диссертации в соавторстве экспериментально обосновываются преимущества формообразования деталей в медленных режимах деформирования перед быстрыми, о чем будет говориться ниже в параграфе 3.3 применительно к технологическим аспектам использования явления ползучести. Наряду с экспериментально-теоретическими исследованиями нами изучаются пути также практической реализации, основанные на явлении ползучести [90-92].
В отечественной и зарубежной литературе имеются незначительные сведения по использованию технологии формообразования крупногабаритных деталей за счет деформаций ползучести, например, [93-103].
Так фирмой "Rand Northrop Corp" (США) был разработан способ формообразования, который позволяет получать панели крыла самолета из титановых сплавов длиной до 18 м [94].
Плоская заготовка панели укладывается на нагретую матрицу и прижимается диафрагмой из нержавеющей стали толщиной 2,5 мм. Матрица и диафрагма имеют по периметру воздухонепроницаемое уплотнение, которое позволяет создавать между ними вакуум. Атмосферное давление вдавливает панель в полость нагретой матрицы. Оснастка состоит из стального корпуса, основание которого представляет собой керамическую матрицу с вмонтированными термоэлементами. Температура контролируется термопарами через электронную систему регулировки температуры, которая позволяет создавать равномерное температурное поле в заготовке. Кривизна детали после формообразования таким способом точно соответствует контуру матрицы.
Фирмой Boeing Wichita использовался способ формовки деталей из алюминиевых сплавов с одновременным старением. Высота ребер панели достигает 50 мм. Заготовка панели зажимается в приспособлении, имеющем радиус кривизны с учетом пружинения материала после изгиба и старения, помещается в электропечь, где подвергается термообработке. Величина упреждения на упругое восстановление определяется экспериментально. Материал панелей - алюминиевый сплав 2219 (аналог отечественному сплаву 1201) [95].
В патенте США [96] рекомендуется местный нагрев металлического листа вдоль узкой полосы и быстрое охлаждение, что приводит к усадке материала и образованию кривизны. Повторяя нагрев и охлаждение по другим направлениям, экспериментально получают изделия сложной кривизны из листа. Вогнутые детали получают аналогичным образом с использованием одностороннего нагрева листовой заготовки и охлаждением противоположной [97]. Представляет интерес один из патентов США [98], в котором описано многостержневое устройство для формообразования крупногабаритных заготовок за счет ползучести в процессе отжига. Геометрию детали задают поддерживающие стержни, выступающие на определенную высоту, соответствующую заданному контуру нижней поверхности детали. Оппозитно установленные стержни с другой стороны давят на заготовку с силой, способной вызвать ползучесть материала. Аналогичное решение используется в опытных установках штокового типа в НовосибНИАТе [99, 100]. Другие технические решения, как за рубежом, так и в республиках СНГ, относятся в основном к способам калибровки термофиксацией, например [101-105]. В качестве оснастки используются как цельные штампы, так и ложементные, выполненные с эквидестантом, соответствующим толщине деталей. Для "заневоливания" заготовки используются различного рода прижимы, вакуумирование, давление газов.
Несмотря на очевидные преимущества процесса термофиксации такие как снижение усилия формообразования, простота оборудования и оснастки (обычные печи для термообработки, упрощенные штампы и т.д.), резкое сокращение тяжелого ручного труда, повышение качества и ресурса деталей за счет уменьшения остаточных напряжений, а также возможность совмещения формообразования детали с термической обработкой, что делает процесс экономически эффективным, однако широкого применения в промышленности он не получил.
Определяющие уравнения и экспериментальная проверка гипотезы «единой кривой» повреждаемости при постоянной температуре
Методы расчета на базе общепринятых моделей теории пластичности практически не приложимы для расчетов ОМД формообразования деталей при медленных режимах деформирования. Большой экспериментальный материал, наработанный в последнее время в связи с интенсивным изучением явления сверхпластичности [113] указывает на существенное влияние скорости деформации и температуры на сопротивление материалов деформированию [114]. Аналогичные результаты имеют место и при умеренных температурах. Величины напряжений зависят от пути (траектории нагружения), по которому происходит развитие деформаций во времени. Известные модели пластичности не позволяют учесть влияние скоростей деформаций на уровень напряженного состояния.
В зависимости от сложности формуемой детали диапазон скоростей деформаций может изменяться значительно, на несколько порядков, т.к. в заготовке реализуются напряжения от близких к нулю в области застойных зон до достаточно высоких уровней напряжений в наиболее нагруженных областях. Напряжения могут изменяться во времени на один-два порядка [114] даже при задании скорости деформаций постоянной в условиях однородного напряженного состояния вследствие релаксации и сильного разупрочнения при развитых деформациях. И несмотря на кратковременность процессов ОМД, к которой так или иначе стремятся обработчики в своей практической деятельности, основной вклад в необратимую деформацию при повышенных температурах дает вязкая составляющая. Таким образом, расчеты следует проводить, базируясь на уравнениях, в которых содержатся скорости деформаций, т.е. использовать в качестве определяющих уравнений уравнения ползучести.
Первые исследования по ОМД в вязкопластической постановке, т.е. с учетом фактора времени в процессе необратимого деформирования материала появились в первой половине нашего века и принадлежат А.А. Ильюшину [41], А.Ю. Ишлинскому [42], Г. Генки [43]. В [41] приведены основные соотношения вязкопластического течения и рассмотрен ряд осесимметрических задач, в [42, 43] при решении задач используется линейная зависимость максимального касательного напряжения от максимальной скорости деформации. В [43] рассмотрены вопросы локализации деформаций при растяжении стержня и экструзии через цилиндрическую полость, разобрана задача вращения валка в пластическом материале.
Систематические же исследования по использованию процессов ползучести в технологии ОМД начались в 70-е годы. В работах А.А. Поздеева и его соавторов [44, 45, 86, 115, 116] для расчетов процессов ОМД используются наследственные теории. Среди немногочисленных публикаций, посвященных расчетному анализу технологических процессов ОМД за счет деформаций ползучести, особо следует выделить серию работ Н.Н. Малинина и К.И. Романова [117-132], внесших существенный вклад в развитие теории процесса. Пренебрегая упругопластическими составляющими деформаций, приводятся решения задач по осадке полосы, круглого цилиндра, раздаче толстостенных сфер и цилиндров, находящихся под действием внутреннего давления, изгиба листов постоянной толщины, деформирования мембран под действием равномерного давления и ряда других задач горячего формоизменения. При решении задач принимаются технические теории ползучести (упрочнения, течения), для режимов в диапазоне температур сверхпластичности - уравнения с деформационным или энергетическим параметром повреждаемости [48], используется МКЭ [125-132, 48] в сочетании с известной пошаговой процедурой расчета по времени [133].
Практически одновременно в этом же направлении начались работы под руководством О.В. Соснина применительно к формообразованию крупногабаритных тонкостенных деталей авиа- и судостроения при повышенных температурах. Для расчетов обосновывается возможность описания кратковременной ползучести (минуты, часы) уравнениями, такими же, как и для обычной (длительной) ползучести - в энергетической форме. Экспериментально-теоретические исследования проводились в более общей постановке с учетом как необратимых деформаций ползучести и пластичности, так и обратимых упругих составляющих.
Для технологических задач формообразования в медленных режимах деформирования в конечном итоге важно получить требуемую форму детали (ТК), необходимое распределение толщины, минимальное накопление повреждений в детали на стадии изготовления и т.п., и определить при этом распределение усилий формообразования или задание перемещений, как по поверхности заготовки, так и во времени, условия закрепления заготовки, геометрию упреждающей формы оснастки (РК) с учетом величины упругого восстановления для процессов с использованием термофиксации и т.д. Такие классы задач, рассматриваемые и нами [134-136], определяются как обратные и полуобратные, представляют особый интерес применительно к формообразованию в режимах ползучести.
Медленные режимы деформирования в условиях ползучести, как следует из результатов опытной отработки формообразования подкрепленных панелей и будет проиллюстрировано ниже, позволяют существенно повысить точность изготовления деталей по сравнению с быстрыми режимами -упругопластическими. Высокий уровень остаточных напряжений в тонкостенных конструкциях с существенно различными жесткостными элементами при пластическом формоизменении делает технологию с такими конструктивными элементами практически невозможной. После снятия нагрузки на поверхности детали появляются участки знакопеременной кривизны, плоские участки и, как следствие, хлопуны в полотне между подкрепляющими ребрами жесткости. Релаксация напряжений в ребрах жесткости до уровней, близких к напряжениям в полотне при режимах ползучести, позволяет получать панели и другие детали с достаточно хорошей аэродинамической поверхностью.
Основные технологические параметры процесса формообразования деталей из конструкционной стали ВЛ-1Д в состоянии сверхпластичности
Задание скоростей деформаций у (скорости погонного угла закручивания) осуществляется перемещением траверсы тросом, закрепленным в середине, посредством червячной пары 9 с приводом от двух двигателей 10 типа МСУ-7А, работающих независимо друг от друга на один планетарный редуктор 11. Изменяя скорость и направление вращения двигателей можно реализовать изменение скорости деформаций у в диапазоне от 0 до y«10-1c_I с поддержанием их постоянными во время проведения опытов..
Медленные скорости деформаций реализуются в случае, когда моторы вращаются навстречу друг другу, при этом даже при очень малых перемещениях траверсы на валу редуктора сохраняется достаточный крутящий момент, максимум скорости достигается когда работает один из моторов. Для поддержания оборотов вала постоянными в процессе деформирования предусмотрена простейшая обратная связь с использованием фотодиода. Действующая нагрузка (внешний момент) измеряется датчиком силоизмерительным тензо-резисторным ДСТ 12, угол закручивания - круговым реохордом, укрепленным посредством экстензометра на образце и вынесенным за пределы печного пространства. Для исключения потерь крутящего момента на трение тяг о печь 13 последняя уравновешена грузом 14. Экстензометр состоит из двух коаксиальных тонкостенных цилиндров, закрепленных на галтелях рабочей части образца, на внутреннем цилиндре размещен диск диаметром 150 мм из изолирующего материала с натянутой по окружности низкоомной проволокой, на наружном цилиндре закреплен контакт, скользящий по проволоке аналогично как это предложено в работе [165]. Диаграммы записываются двухкоординатным самописцем. В установке полностью исключается потеря активного момента, высокая чувствительность по нагрузке позволяет проводить научные и технические исследования как при малых, так и при достаточно больших деформациях с постоянной скоростью угла закручивания в широком температурно-скоростном диапазоне с высокой точностью измерения действующего крутящего момента и угла закручивания. Предел измерения угла закручивания датчика - 360 градусов, точность отсчета фактически определяется погрешностью используемой регистрирующей аппаратуры. В зависимости от прикладываемого крутящего момента используются датчики ДСТ различных номинальных нагрузок с классом точности 0,25 или 0,4.
Описанная установка позволяет проводить эксперименты на кручение тонкостенных трубчатых образцов для случая малых деформаций и сплошных образцов - для случая конечных деформаций как при задании постоянным погонного угла закручивания 9= const, так и при действии постоянного внешнего момента М = const. В последнем случае траверса 7 перемещается под действием расчетного груза [163].
Наряду с описанной выше установкой на чистое кручение круглых образцов для испытаний элементов конструкций с неоднородным напряженным состоянием использовалась установка на чистый изгиб постоянным моментом балок, разработанная в Институте гидродинамики СО РАН Н.Г. Торшеновым и О.В. Сосниным [166] и модернизированная автором для проведения экспериментов с заданной постоянной скоростью изменения кривизны (ге = const) и последующей релаксацией (фиксацией балки, (ж = 0). На рис. 2.16 показана кинематическая схема установки. По конструктивной идее она схожа с установкой, приведенной на рис. 2.1а. Перемещением траверсы 6 с заданной скоростью осуществляется раскручивание тросов 4-5 со шкивов 3 и тем самым осуществляется чистый изгиб балки. Гибкая подвеска позволяет исключить осевые реакции и достичь достаточно больших прогибов изгибаемой балки с постоянным радиусом кривизны (ab «0,510 мм ) по сравнению с ножевыми конструкциями. Конструкция паза в осях 2 посредством вкладышей делает возможным наряду с балками прямоугольного сечения производить испытания образцов произвольного поперечного сечения, в том числе круглого, таврового, "Z"-образного сечений и других сечений базисных элементов оребренных панелей. Устройство задания скорости перемещения траверсы 6 полностью идентично с описанным выше для установки на кручение. По показаниям датчика нагрузки 9 определяется действующий изгибаемый момент на любой момент процесса деформирования, кривизна вычисляется по формуле аз = 8Д/1 (где Л - стрела прогиба балки на базе замера 10 ) в соответствии с показаниями индикатора 8 (7-кварцевые стержни системы замера, 10 - печное пространство).
На рис. 2.2а приведена кинематическая схема экспериментальной установки на чистое кручение квадратных пластин постоянной толщины. Реализация эксперимента на кручение осуществляется по схеме 4-х точечного приложения сосредоточенных сил в вершинах углов квадратной пластинки. Обоснование замены крутящих моментов М силами Р=2М, действующими в вершинах углов пластины приведено в монографии [151, стр.59] и нашло экспериментальное подтверждение в теории изгиба пластин. Прогибы пластины замеряются по диагоналям индикаторами 1, одна из которых деформируется выпуклостью вниз, другая выпуклостью вверх, пластина 2 изгибается в седлообразную поверхность (см. рис. 2.26). Установка позволяет проводить эксперименты как при Р = const, так и с заданной скоростью изменения кривизны и последующей релаксацией (термофиксацией), при этом для задания скорости V перемещения траверсы 3 используется устройство, аналогичное описанному выше для установки на чистое кручение валов.
Величина кривизны по диагоналям пластины 2 вычисляется как и для изгиба балки по прогибам Д в соответствии с формулой эе = 8Д/1 (4 кварцевые стержни системы замера, 5 - датчик измерения нагрузки ДСТ, 6 -захваты, 7 - печное пространство).
