Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор способов обжима и способов расчета напряженно-деформированного состояния .11
1.1. Применение и конструкции газовых баллонов высокого давления .11
1.2. Применение операции обжима и основные проблемы 16
1.3. Анализ существующих способов обжима трубных заготовок .18
1.4. Способы интенсификации процесса обжима
1.4.1. Силовая интенсификация 24
1.4.2. Термическая интенсификация 28
1.4.3. Интенсификация за счет применения высоких скоростей деформации .30
1.4.4. Обжим в режиме сверхпластичности 31
1.4.5. Косвенные методы интенсификации .31
1.5. Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния при обжиме .33
1.5.1. Инженерные методы расчета 33
1.5.2. Численные методы расчета .46
1.6. Методы расчета на устойчивость в окружном направлении при обжиме тонкостенных труб 50
1.7. Выводы. Цель и задачи исследования 54
Глава 2. Теоретическое исследование процесса обжима трубных заготовок 57
2.1. Схема процесса обжима и постановка задачи .57
2.2. Математическая модель обжима 60
2.2.1. Расчет напряженно-деформированного состояния при обжиме 64
2.2.2. Механизм потери устойчивости в окружном направлении при обжиме по жесткой матрице з
2.2.3. Математическая модель потери устойчивости от окружных сжимающих напряжений 86
2.2.4. Расчет на устойчивость при сжатии тонких полос на вогнутом цилиндрическом основании .88
2.3. Разработка методики инженерного расчета обжима особотонкостенных заготовок 93
2.4. Выводы .100
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса обжима трубных заготовок 101
3.1. Условия проведения экспериментов .101
3.2. Исследование механических свойств материалов при сжатии 107
3.3. Исследование механизма потери устойчивости в окружном направлении при обжиме .111
3.4. Исследование процесса обжима трубных заготовок .118
3.4.1. Обжим осевым усилием, приложенным к торцу заготовки 118
3.4.2. Обжим особотонкостенных заготовок при помощи технологических вставок 126
3.5. Экспериментальные работы по изготовлению лейнера для газового баллона высокого давления 128
3.6. Технологические рекомендации .137
3.7. Выводы 138
Общие выводы 140
Список литературы
- Силовая интенсификация
- Расчет напряженно-деформированного состояния при обжиме
- Разработка методики инженерного расчета обжима особотонкостенных заготовок
- Исследование механизма потери устойчивости в окружном направлении при обжиме
Введение к работе
Актуальность темы
В изделиях авиационной и ракетно-космической техники широко используются
газовые баллоны высокого давления, которые применяются в различных системах: пневматических, противопожарных, кислородных, высотно-компенсирующих (рис. 1).
Рис. 1. Типовое распределение систем с баллонами высокого давления в самолете: 1 - пневматические системы; 2 - противопожарные системы; 3 -кислородные системы; 4 -
средства аварийного покидания
В производстве летательных аппаратов особенно остро стоят задачи создания конструкций с минимальной массой, в связи с чем все большее распространение получают металло-полимерные (композитные) баллоны высокого давления. Такие баллоны состоят из двух слоев: внутренней металлической герметичной оболочки (лейнера) и силового полимерно-композитного слоя. При использовании в составе силового слоя материалов, обладающих высокими модулем упругости и пределом прочности, целесообразно применять тонкостенные лейнеры из алюминиевых сплавов.
Традиционные способы изготовления лейнеров баллонов высокого давления связаны с использованием операции сварки, что существенно снижает качество и ресурсные характеристики баллонов, увеличивает их массу и трудоемкость изготовления. Применение операций обжима позволит изготавливать высокоресурсные цельноштампованные лейнеры высокого качества из трубных заготовок или предварительно вытянутых стаканов, однако возможности обжима применительно к изготовлению лейнеров до конца не изучены.
Применение известных методов обжима в производстве лейнеров баллонов высокого давления сдерживается следующими факторами:
-
Конструктивными особенностями баллонов (заданное распределение толщин, минимальная толщина стенки, специальная форма днищ);
-
Неисследованностью процесса обжима на предмет возможности получения изделия с требуемым вышеприведенным комплексом свойств;
3. Ограниченными возможностями обжима тонкостенных заготовок из-за потери устойчивости кромки заготовки в окружном направлении.
Существующие способы расчета технологических параметров процесса обжима в основном построены на инженерных методиках, которые содержат большое количество упрощений и допущений, что делает эти решения приближенными и схематизированными. Кроме того, вопрос потери устойчивости кромки заготовки в окружном направлении изучен недостаточно полно, до сих пор не существует единого представления о механизме данного явления.
Таким образом, исследования процесса обжима тонкостенных заготовок для изготовления баллонов высокого давления являются актуальными.
Объектом исследования являются лейнеры баллонов высокого давления.
Предметом исследования является технологический процесс обжима тонкостенных труб и методы расчета технологических параметров.
Целью исследования является изучение закономерностей пластического деформирования при обжиме тонкостенных труб и разработка методики расчета технологических параметров процесса для обеспечения качества и сокращения сроков технологической подготовки производства лейнеров газовых баллонов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ способов обжима трубных заготовок и методов расчета
напряженно-деформированного состояния;
- исследовать механизм потери устойчивости при обжиме кромки тонкостенных
заготовок под действием окружных сжимающих напряжений;
- разработать способ прогнозирования потери устойчивости в окружном
направлении при обжиме тонкостенных заготовок;
разработать методику для расчета интенсифицированных процессов обжима трубных заготовок в осевом направлении;
исследовать процесс обжима особотонкостенных заготовок с технологической вставкой;
провести опытные работы по изготовлению лейнеров газовых баллонов, в том числе с днищами эллиптической формы.
Методические основы. Теоретические исследования процесса обжима базируются на основных положениях теории пластичности, экспериментальных методах исследования процессов пластического деформирования и численных методах интегрирования дифференциальных уравнений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определены факторы, влияющие на потерю устойчивости в окружном
направлении при обжиме тонкостенных заготовок, установлено определяющее влияние
неоднородности механических и геометрических свойств заготовки на момент потери
устойчивости;
- усовершенствована методика численного расчета процесса обжима в осевом
направлении, позволяющая учитывать интенсифицирующие факторы (зональный нагрев,
переменная толщина стенки заготовки) и рассчитывать параметры технологического
процесса как в стационарном, так и в нестационарном очагах деформации;
- разработана методика расчета процесса обжима тонкостенных труб, позволяющая
прогнозировать потерю устойчивости заготовки с учетом интенсифицирующих факторов;
- разработан метод расчета процесса обжима особотонкостенных заготовок с
технологической вставкой.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработанные программы расчета процесса обжима на ЭВМ позволяют определять технологические параметры в автоматическом режиме;
определены температурные и силовые режимы для изготовления лейнеров газовых баллонов, в том числе лейнеров с днищами эллиптической формы;
сформулированы технологические рекомендации для изготовления тонкостенных лейнеров баллонов высокого давления обжимом трубных заготовок, обеспечивающие снижение трудоемкости и получение бесшовных изделий;
разработана технология и изготовлены опытные образцы тонкостенных лейнеров газовых баллонов для ОАО «НЛП «Звезда» имени академика Г.И.Северина».
Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, современным математическим аппаратом и экспериментальной проверкой.
Личный вклад соискателя. Все основные теоретические и экспериментальные положения диссертации выполнены соискателем лично. Соискатель лично программировал и отлаживал исходные тексты компьютерных программ.
Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 12 публикациях, в том числе в 5 научных статьях, 3 из которых опубликованы в журналах рекомендованных ВАК, и 6 тезисах докладов на российских и международных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка использованных литературных источников из 93 наименований, и материалов приложений. Текст диссертации изложен на 196 страницах и содержит 125 рисунков.
Силовая интенсификация
Газовые баллоны высокого давления широко применяются в авиа- и ракетостроении в составе различных пневматических и кислородных систем, в противопожарных системах, а так же в средствах аварийного жизнеобеспечения и спасения экипажа и пассажиров самолетов (рис. 1.1).
Пневматические системы работают за счет использования энергии сжатого газа, который одновременно является и рабочим телом, они используются в быстродействующих приводах, обладающих малой мощностью, таких как: запуск двигателя, перекладка створок реверса двигателя, управление шасси и посадочным щитком, торможение колёс. Аккумуляторами энергии являются газовые баллоны высокого давления. В тех случаях, когда пневмосистема применяется в штатной работе летательного аппарата, то большие расходы газа создают необходимость установки компрессоров с автоматами давления для периодической подзарядки баллонов, вследствие чего баллон подвергается циклической нагрузке.
Необходимость в противопожарных системах на борту самолета возникла вследствие того, что по мере выработки топлива и понижения давления при наборе высоты в объеме бака может образоваться взрывоопасная топливно-газовая смесь, создающая потенциальную опасность возникновения пожара или взрыва. Основными действующими веществами в противопожарных системах являются инертные газы, такие как углекислый газ, азот и фреон, которые хранятся в баллонах высокого давления.
В самолетах гражданской авиации аварийные средства спасения и жизнеобеспечения включают в себя кислородные системы и средства аварийного покидания самолета. Кислородные системы предназначены для увеличения концентрации кислорода во вдыхаемой смеси для повышения его парциального давления или создания избыточного давления при разгерметизации самолета на высоте. Также кислородные системы могут использоваться в качестве резервных дыхательных систем при отказе штатных. Средства аварийного покидания самолета включают в себя надувной спасательный плот или лодку, а также надувной трап. Их наполнение происходит с помощью баллонов высокого давления.
Самолеты военной авиации оснащены противопожарными системами, аналогичными гражданским, при этом аварийные средства жизнеобеспечения и спасения в них существенно отличаются. Средства аварийного покидания кабины самолета в военной авиации представлены различными катапультными системами, различающимися в зависимости от характеристик и назначений самолета. В частности, существуют модификации катапультных систем легких (тренировочных) самолетов, работающих на энергии сжатого газа, поступающего из баллона высокого давления. Такие системы так же используются на спортивных самолетах.
Аварийные средства жизнеобеспечения военных самолетов включают в себя высотное снаряжение. Оно предназначено для обеспечения кислородом членов экипажа, защиты от воздействия низкого атмосферного давления при разгерметизации кабины и при аварийном покидании кабины на высоте более 15000 м. Вместе с кислородным оборудованием для этого используется индивидуальное снаряжение в виде высотных компенсирующих костюмов с кислородными масками.
Высотный компенсирующий костюм позволяет облегчить процесс дыхания и кровообращения, а также исключить декомпрессионные расстройства в организме путем создания внешнего механического обжатия тела человека. При разгерметизации кабины на больших высотах натяжное устройство костюма заполняется кислородом, происходит подача избыточного давления кислорода под маску, в результате происходит механическое обжатие тела с противодавлением, по величине близким к давлению газа в легких. В случае катапультирования заполнение натяжного устройства осуществляется из баллона высокого давления.
В последнее время высокими темпами развиваются направления связанные с разработкой автономных источников тока в виде электрохимических генераторов на основе топливных элементов. В качестве топлива обычно используется водород, подаваемый из баллонов высокого давления. Топливные элементы планируется использовать в военной и космической технике.
Так же баллоны высокого давления имеют широкое применение в системах гражданского назначения: дыхательных (медицина, пожаротушение, дайвинг), в качестве аккумуляторов энергии сжатого газа (пейнтбол), в качестве сосудов для хранения природного газа, как автомобильного топлива.
Исходя из вышесказанного, можно заключить, что наиболее перспективным и важными направлениями в совершенствовании баллонов высокого давления являются снижение удельной массы и повышение безопасности. Конструкции баллонов высокого давления В авиации и космической технике остро стоит вопрос о создании конструкций с минимальной массой, в связи с чем получили широкое распространение металло-полимерные (композитные) баллоны высокого давления. Такие баллоны состоят из двух слоев: металлической герметичной оболочки (лейнера) и силового полимерно-композитного слоя. Силовой слой обычно формируется путем намотки на лейнер армирующего материала, пропитанного связующим, с последующей термообработкой (полимеризацией). В зависимости от геометрических параметров днищ лейнеров и расположения композитного слоя, существующие конструкции метало полимерных баллонов высокого давления можно разделить на два вида: - с обмоткой цилиндрической части (рис. 1.2 а); - с обмоткой всей поверхности (рис. 1.2 б, в).
Отличие в расположении композиционного слоя баллонов влияет на конструкцию лейнеров. Баллоны с обмоткой цилиндрической части обычно имеют стальной лейнер со сферическими днищами. Баллоны с композиционной обмоткой всей поверхности имеют тонкостенный лейнер (стальной или алюминиевый) со строго определенными днищами эллиптической формы.
Традиционные способы изготовления лейнеров предполагают применение сварки [5, 6]. В зависимости от типоразмера, соотношения диаметра и высоты лейнера его изготавливают из четырех (рис. 1.2 а, б) или трех (рис. 1.2 в) частей.
Расчет напряженно-деформированного состояния при обжиме
Здесь s, R - соответственно толщина стенки и текущий радиус получаемой детали; sc, Re - соответственно текущая толщина стенки и текущий радиус заготовки; as - напряжение текучести материала; се, сш - соответственно окружные и меридиональные напряжения; Rm, Re - меридиональный и окружной радиусы элемента оболочки; ц - коэффициент трения; a - угол между касательной к элементу оболочки и ее осью симметрии; ds, dR - приращения толщины и радиуса детали (рис. 1.16).
Решая уравнение (1.68), можно рассчитать толщину стенки получаемой детали s относительно текущего радиуса R, если известны геометрические параметры заготовки (sз, Rз, з), форма получаемой детали (Rm, R, ) и режимы ведения процесса ( dcis dR ). По рассчитанному распределению толщины стенки определяют деформации (єе, єт, єп - соответственно окружные, меридиональные и нормальные деформации) и напряжения (, т, п, где п - напряжение, действующее по нормали к поверхности оболочки, определяемое по уравнению Лапласа). Решение уравнения (1.68) осуществляется численным интегрированием, например, по методу Эйлера на ЭВМ в последовательности: S1 =s0+f(s0,R0)AR1; s2 =s1+f(s1,R1)AR2; (1.70) sn+1 =sn+f(sn,Rn)ARn+1. где so, Ro начальные (граничные) условия: толщина стенки и радиус граничного элемента заготовки соответственно; AR - шаг интегрирования, определяемый выражением (1.69). Данное решение имеет определенные недостатки: - данная модель пригодна только для однопереходного процесса; - данная модель не учитывает формоизменение в стационарном очаге деформации; - данная модель не учитывает возможность потери устойчивости в окружном направлении в очаге деформации.
Метод конечных элементов Метод конечных элементов (МКЭ) [63-66] получил широкое применение при решении различного рода инженерных задач, связанных с деформацией твердых тел. Впервые МКЭ был применен в теории стержневых систем, а затем использован при решении задач сплошной среды, которую условно делили на элементы конечных размеров. Для плоского случая это чаще всего треугольники, а для пространственного - тетраэдры. По каждому элементу задаются некоторые функции, позволяющие определить перемещения внутри элементов по перемещениям в узлах. Определяя затем деформации и напряжения, получают выражение для энергии, как функцию узловых смещений, при вариации которых формируется система алгебраических уравнений. Из ее решения определяются искомые перемещения узлов. Распределенная нагрузка заменяется эквивалентной узловой.
Метод конечных элементов хорошо разработан для решения упругих и упругопластических задач. При исследовании процессов пластического деформирования МКЭ стал применяться относительно недавно. Это связано с определенными особенностями пластической среды - нелинейностью уравнений, условием несжимаемости.
Широкому распространению МКЭ долгое время мешало то, что не было разработанных алгоритмов автоматического разбиения рабочей области на треугольники близкие к равносторонним. Эту задачу удалось успешно решить, что дало возможность создавать полностью автоматические конечноэлементные САПР, такие как: ANSYS, MSC Nastran, DEFORM-2D/3D и др.
Несмотря на сложность реализации МКЭ обладает рядом преимуществ: - решение большого круга задач вследствие произвольной формы обрабатываемой области; - возможность управления точностью решения за счет изменения частоты разбиения сетки; - использование специализированных программных продуктов, основанных на МКЭ, позволяет экономить средства для крупных предприятий. Однако использование готовых программных продуктов не дает выраженной в явном виде математической модели процесса, что ограничивает их применение для исследовательских целей.
Кроме того, многие результаты, полученные с помощью МКЭ, могут оказаться неточными, т.к. МКЭ применяет помимо классических уравнений механики собственные допущения: используются упрощающие экстремальные принципы, непрерывность сплошной среды обеспечивается только в узлах, в результате чего нарушается условие постоянства объема; принимается, что поля перемещений, деформаций и напряжений для каждого элемента имеют упрощенный вид; выполняется снижение размерности системы уравнений путем исключения некоторых степеней свободы, например, для листовой штамповки может приниматься, что толщина листа не изменяется [67]. В связи с этим, расчеты данным методом с помощью готовых программных продуктов должны подвергаться экспериментальной проверке.
Расчет предельных возможностей обжима из условия осевой потери устойчивости, возникающей в основном при деформировании толстостенных оболочек, в настоящее время рассмотрен во многих работах [14, 55, 58, 59] и не вызывает сложностей при применении на практике. В то же время, окружная потеря устойчивости в очаге деформации, ограничивающая возможности обжима тонкостенных заготовок, остается недостаточно исследованной, и число теоретических работ освещающих данное явление крайне невелико. В настоящее время нет однозначного подхода к решению данной задачи.
Разработка методики инженерного расчета обжима особотонкостенных заготовок
В случае необходимости получения заданного распределения толщины детали, изготавливаемой обжимом, целесообразно применять профилированные трубные заготовки. Такие заготовки могут быть изготовлены путем механической обработки или осадки кромки трубы.
На рис. 2.16 показана возможность управления распределением толщины по образующей при обжиме с переменным нагревом заготовок радиусом R0 = 100 мм с толщиной стенки трубы Sтр = 2 мм до радиуса = 40 мм из материала АД31. Рассмотрен обжим профилированных заготовок с равномерным утонением до 1 мм на кромке и с равномерным утолщением до 3 мм на кромке на длине 50 мм, а так же равнотолщинной заготовки. Рис. 2.16. Распределение толщины детали при обжиме различных профилированных заготовок: . . . с утонением; _ _ _ с утолщением; ___ равнотолщинная
Проведенный расчет процесса обжима трубных заготовок осевым усилием по жесткой матрице с переменным нагревом показал следующее:
1. Процесс обжима приводит к интенсивному утолщению кромки заготовки (рис. 2.13), при этом, максимальная толщина наблюдается в зоне перехода заготовки конической (сферической) части в цилиндрическую часть обжимаемой заготовки (горловину).
2. Меридиональные напряжения отрицательные, их значение изменяется от нуля на кромке заготовки до максимальной величины (по модулю) у зоны передачи усилия; окружные напряжения тоже отрицательные, их значение резко увеличивается (по модулю) от кромки заготовки (в цилиндрической области), затем плавно растет (по модулю) к зоне передачи усилия (рис. 2.14).
4. Меридиональные деформации положительны на кромке и уменьшаются от кромки до нуля у зоны передачи усилия заготовки; окружные деформации отрицательны и уменьшаются от зоны передачи усилия (значение равно нулю) к кромке заготовки. Величина меридиональных деформаций незначительно зависит от формы матрицы (рис. 2.15).
Проведенные расчеты обжима осевым усилием по жесткой матрице показывают, что теоретические расчеты совпадают с общими закономерностями процесса обжима, что подтверждает эффективность разработанной математической модели и возможность ее использования в других расчетах. Однако данная модель не учитывает возможности окружной потери устойчивости в очаге деформации при обжиме тонкостенных заготовок.
Из опытных работ [18, 19, 32] известно, что при обжиме труб по жесткой матрице с отношением толщины стенки к среднему диаметру менее 2-3% главным ограничивающим фактором является потеря устойчивости в окружном направлении в виде образования продольного гофра в очаге деформации (рис. 1.2 в).
В силу особенностей механизма окружной потери устойчивости модель (2.10) не позволяет определить предельные возможности формоизменения при обжиме. Поэтому для определения момента образования складки предлагается параллельно с расчетом обжима выполнять расчет на устойчивость в окружном направлении.
В теоретических работах [54, 68, 74, 76, 77] приведены расчеты устойчивости тонкостенных заготовок в упругих и пластических задачах. Основным предположением в этих решениях является предположение об исключительной малости возмущений, необходимых для перевода заготовки из одного состояния равновесия в другое. Однако в случае окружной потери устойчивости при обжиме цилиндрических заготовок это предположение не является корректным.
В качестве примера рассмотрим процесс обжима тонкостенной кольцевой заготовки по жесткой матрице (рис. 2.17). В данном случае малого возмущения будет недостаточно, чтобы вызвать потерю устойчивости заготовки с образование складки, т.к. под действием окружных сжимающих напряжений кольцо постоянно прижимается к поверхности матрицы с напряжениями n. Переход заготовки в другое равновесное состояние кинематически не возможен.
Следовательно, для корректного решения указанной задачи необходимо установить физические причины и описать механизм возможного появления «немалого» возмущения, в результате которого нарушается контакт заготовки с матрицей (заготовка отходит от матрицы), переходя из устойчивого состояния «в малом», в неустойчивое состояние «в большом» с последующим образованием складки.
Известно, что металлические полуфабрикаты в зависимости от технологии производства имеют более или менее выраженную неоднородность механических свойств [78, 79] и исходную разнотолщинность. В каждом реальном металле имеются первичные дислокации, а в связи с тем, что деформация не протекает одновременно и равномерно по всему объему поликристаллического металла из-за различной ориентации зерен и их размеров, в процессе деформации в металле имеются отдельные упругие остановки [80]. Таким образом, в ходе деформации неоднородность механических свойств материалов будет увеличиваться.
В работе [81] деформируемое твердое тело рассматривается в виде многоуровневой системы, при этом наименьшую сдвиговую устойчивость имеет его поверхностный слой, который рассматривается как особое состояние вещества. Отсутствие у атомов поверхности половины межатомных связей обусловливает специфическую структуру тонкого поверхностного слоя. Наличие в поверхностном слое большого числа структурных вакансий обусловливает возможность локальных структурных превращений. Как следствие, поверхностный слой при нагружении твердого тела более интенсивно теряет свою сдвиговую устойчивость по сравнению с объемом кристалла и проявляет специфические механизмы пластического течения недислокационной природы. В результате, деформация тела всегда проходит локализовано, на поверхностном слое образуются гофры.
Исходя из вышесказанного, становится понятно, что реальный металл всегда деформируется неравномерно, при этом, помимо влияния исходной неоднородности материала, с уменьшением толщины заготовки, будет возрастать влияние на ее деформирование механизмов недислокационной природы. Кроме того, неравномерность деформации металла может усугубляться неравномерным влиянием трения при контакте заготовки с матрицей.
В результате неравномерных пластических деформаций может возникнуть локальная разнотолщинность кольцевой заготовки, появление которой дает возможность описать дальнейший механизм потери устойчивости [82]. Пусть в какой-либо части кольцевой заготовки, подвергнутой обжиму, возникает локальное утолщение (рис. 2.18).
Исследование механизма потери устойчивости в окружном направлении при обжиме
Калибровка второго конца заготовки осуществлялась по схеме рис. 3.39 с внутренним противодавлением. Полость детали заполнялась жидкостью (водой) и заглушалась с обеих сторон. Деталь помещалась в штамп с двумя эллиптическими полуматрицами и обоймой, и под действием осевого усилия полуматрицы сближались до смыкания.
Калибровка выполнялась в несколько этапов с постепенным уменьшением высоты обоймы для предотвращения выдавливания заготовки в зазор между обоймой и верхней полуматрицей. Последовательность изменения формы лейнера от сферической до требуемой приведена на рис. 3.40. Усилие смыкания полуматриц – 20 т. Полученные лейнеры показаны на рис. 3.41.
В результате проведенных исследований разработана технология изготовления цельноштампованных лейнеров баллонов высокого давления. Технология представлена в приложении 4 в виде укрупненного технологического процесса на изготовление лейнеров из трубы 70х2 сплава АД31.
Опытные работы по изготовлению цельноштампованных лейнеров баллонов высокого давления обжимом трубных заготовок показали, что данная технология в сравнении с традиционной позволяет снизить трудоемкость изготовления лейнеров на 40-60% за счет исключения сварочных и подгоночных работ.
Для определения возможностей обжима заготовок в условиях окружной потери устойчивости были проведены эксперименты по обжиму тонкостенных трубных заготовок с относительно толщиной 2%, в которых всегда наступает потеря устойчивости от окружных сжимающих напряжений.
Экспериментальные исследования показали, что оба эти способа принципиально реализуемы как по ходу процесса обжима, так и в многопереходном процессе. При этом наиболее перспективным является второй способ, который обеспечивает лучший коэффициент использования материала.
Первый способ заключается в следующем: деформировать заготовку до образования складки; механически удалять зону потери устойчивости; вновь деформировать заготовку до потери устойчивости и т.д. В результате окончательно можно избежать потери устойчивости за счет того, что кромка детали постепенно утолщается и повышается ее относительная толщина.
Эксперименты были проведены на трубах АМг6М 100х1,0 мм в холодном состоянии. Число подрезок кромки – 4. Промежуточных отжигов – 3. Отходы материала – 30-40%. Полученная деталь показана на рис. 3.42. Второй способ, связанный с исправлением дефекта, может быть реализован в разных вариантах: 1. Исправление дефекта вручную на профильной оправке. 2. Исправление дефекта с помощью роликов при вращающейся заготовке.
Эксперименты по обоим вариантам выполнялись на трубных заготовках 85 мм с толщиной стенки 0,6 мм из сплава марки АМг3М (вариант № 1) и трубах АМг6М 100х1,0 мм (вариант № 2). Обжим проводился в горячем состоянии по эллиптической и сферической матрицам в горячем состоянии. Матрица нагревалась с помощью ТЭНов, максимальная температура нагрева составляла 390 135
Деталь обжималась до начала образования продольного гофра, после чего деталь вынималась из матрицы, и выполнялась механическое выпрямление гофра. Далее обжим повторялся до образования новых складок, которые так же выпрямлялись. Как правило, последующие складки появлялись в новых местах. При выпрямлении складки по варианту № 1 был выполнен обжим до диаметра 42 мм. На рис. 3.43 показана полученная деталь.
К недостаткам данного способа следует отнести низкое качество выпрямления складки и необходимость свободного доступа с обратной стороны заготовки для установки на оправку. Данный способ не подходит для изготовления лейнеров баллонов высокого давления, т.к. при формировании горловины необходимо производить обжим заготовок с односторонним подходом (стаканов).
Эксперименты показали эффективность данного способа. Обработка роликами обеспечивает качественное выпрямление складки, улучшает структуру материала в месте обкатки, при этом на заготовки образуются кольцевые канавки, снижающие склонность к образованию новых складок от окружных сжимающих напряжений. Данный способ реализуется при одностороннем подходе к кромке заготовки, и поэтому может применяться при изготовлении лейнеров баллонов высокого давления. На рис. 3.45 показана деталь, полученная за три перехода обжима с выпрямлением складки роликами. Проведенные исследования по исправлению складки в режиме многопереходного обжима показали свою эффективность, однако, следует отметить, что на данном этапе нет технологических решений для изготовления цельноштампованного тонкостенного (S/D 1) лейнера, т.к. для нарезания необходимой резьбы горловина лейнера должна иметь достаточно толстые стенки.
