Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние дел по исследованию процессов формообарзования трубных заготовок 23
1.1. Анализ изготовления деталей летательных аппаратов методом формообразования ТЗ 23
1.2. Определяющие факторы процесса формообразования ТЗ 30
1.3. Влияние гидростатического давления 36
1.4. Исследование влияния электроимпульсной обработки ЭИО на диаграмму а- є 39
1.5. Анализ предельных возможностей процесса гибки-раздачи по конусообразному сердечнику 48
1.6. Анализ способов ротационного локального деформирования... 50
1.7. Анализ способов формообразования ТЗ эластичными
и сыпучими средами 57
1.8. Выводы 65
Глава 2. Построение математической модели процесса ормообразования трубных заготовок 68
2.1. Формообразование трубных заготовок по жесткому пуансону.. 68
2.1.1. Инженерная постановка задачи 68
2.1.2. Математическая постановка задачи 70
2.1.3. Численное решение задачи 71
2.1.4. Алгоритм решения для уравнений 75
2.1.5. Алгоритм решения задачи 80
2.2. Математическое моделирование процессов ротационного обжима и раскатки 81
2.2.1. Исходные уравнения 81
2.2.2. Математическое моделирование процесса раскатки ТЗ... 84
2.2.3. Математическое моделирование процесса ротационного обжима ТЗ 91
2.2.4. Расчет контактных давлений при симметричной
з
ротационной раскатке ТЗ 96
2.3. Математическое моделирование процесса формообразования
ТЗ посредством сыпучих тел 109
2.3.1. Моделирование поведения сыпучей гранулированной среды в процессе нагружения 109
2.3.2. Алгоритм расчета давления сыпучих наполнителей на стенки ТЗ 123
2.4. Выводы 125
Глава 3. Исследование процессов раздачи концов трубных заготовок при различных способах деформирования 128
3.1. Исследование процессов формоизменения ТЗ по жестким пуансонам 128
3.1.1. Разработка реологических моделей материалов формоизменяемыхТЗ 128
3.1.2. Исследование влияния геометрии пуансона на процесс формоизменения 131
3.2. Исследование процессов формоизменение ТЗ при раскатке и ротационном обжиме 140
3.2.1. Методы расчета напряженно-деформированного состояния 140
3.2.2. Расчеты ротационной вытяжки 144
3.2.3. Расчет НДС по теории продольной прокатки 151
3.3. Исследование процессов формоизменение ТЗ с
использованием эластичной и сыпучей среды 156
3.3.1. Исследование энергосиловых и кинематических
характеристик пластического течения ТЗ и эластичной среды.. 156
3.3.2. Исследование процесса выдавливания пластического наполнителя 159
3.3.3. Исследование деформирования ТЗ с учетом гипотезы о плоской деформации 172
3.4. Выводы 179
Глава 4. Качественные и количественные характеристики оптимального технологического процесса формообразования деталей из тонкостенныХ ТЗ 181
4.1. Задачи и содержание проведения экспериментальных исследований процесса формообразования ТЗ по жесткому пуансону 181
4.1.2. Выбор оборудования 182
4.1.3. Исследование деформаций делительной сетки 193
4.1.4. Сравнительный анализ усилия формообразования при различных способах деформирования ТЗ 199
4.1.5. Исследование геометрических размеров патрубков 212
4.1.6. Металлографическое исследование 214
4.1.7. Физико-механические испытания 216
4.1.8. Испытания на вибропрочность 217
4.1.9. Испытания на прочность и герметичность 219
4.1.10. Влияние электротермического воздействия на свойства деталей из титановых сплавов 220
4.2. Экспериментальные исследования процессов раскатки и ротационного обжима трубных заготовок 225
4.2.1. Экспериментальные исследования по раскатке труб 225
4.2.2. Экспериментальные исследования процесса ротационного обжима концевых участков труб 233
4.2.3. Механические свойства материалов 237
4.2.4. Особенности процесса раскатки 238
4.2.5. Определение момента внешних сил 240
4.2.6. Раскатка с помощью давильного кольца 244
4.2.7. Исследование структурных изменений при пластической деформации в процессе раскатки и обжима 252
4.3. Исследование формообразования ТЗ эластичными и сыпучими средами 266
4.3.1. Задачи и содержание экспериментальных исследований.. 266
4.3.2. Подбор нагревательного оборудования 268
4.3.3. Способы замера температуры при дифференцированной термической интенсификации процесса формообразования 269
4.3.4. Силовые устройства для деформирования ТЗ 271
4.3.5. Выбор смазки, подготовка ТЗ к деформированию 275
4.3.6. Исследование качественных показателей деталей,
изготовленных с помощью эластичных и сыпучих тел 281
4.3.7. Исследование микроструктуры материала изделий, выполненных формообразованием с использованием эластично-сыпучих тел 284
4.3.8. Испытания на прочность, вибропрочность и герметичность 287
4.4. Выводы 291
Глава 5. Рекомендации по обеспечению технологичности проектируемых деталей 300
5.1. Понятие технологичности 300
5.2. Рекомендации по выбору оптимальной схемы формообразования ТЗ 302
5.2.1. Рекомендации по выбору рациональной схемы
формообразования концов ТЗ при помощи сборно-разборного
пуансона 303
5.2.2. Рекомендации по выбору рациональной схемы гибки раздачитруб 306
5.2.3. Рекомендуемая методика проектирования рогообразных сердечников 308
5.2.4. Рекомендации по подготовке готовых деталей к соединению 314
5.3. Рекомендации по использованию специализированных программных комплексов для моделирования процессов формоизменения ТЗ 320
5.3.1. Рекомендации по моделированию формообразования тройников с использованием эластичной среды 320
5.3.2. Рекомендации по моделированию формообразования концов ТЗ с применением эластосыпучей среды 333
5.4. Рекомендации к выбору рациональных схем при ротационном обжиме и раскатке ТЗ 343
5.4.1. Рекомендации к определению контактных давлений с учетом диаметров оправок 343
5.4.2. Рекомендации к определению крутящих моментов 348
5.4.3. Рекомендации для определения работы сил контактного трения 350
5.5 Общие рекомендации по изготовлению деталей из ТЗ 352
5.6. Рекомендации по использованию мощных импульсов тока (ОМИТ) при деформировании ТЗ из титановых сплавов 356
5.6.1. Установка воздействия ОМИТ за зону деформации 356
5.6.2. Рекомендации по расчету энергии, поступающей в ТЗ за один период сети переменного тока 358
5.6.3. Рекомендации по расчету длительности импульсов тока. 358
5.6.4. Рекомендации по определению физического подобия ТЗ и эквивалентных им образцов, с учетом электрических
параметров 359
5.6.5 Рекомендации по определению энергетических режимов
ОМИТ 359
5.6.6. Рекомендации по определению мощности источника
питания (трансформатора) 360
5.7. Выводы 360
Общие выводы по работе 364
Литература
- Исследование влияния электроимпульсной обработки ЭИО на диаграмму
- Математическое моделирование процессов ротационного обжима и раскатки
- Исследование процессов формоизменение ТЗ при раскатке и ротационном обжиме
- Влияние электротермического воздействия на свойства деталей из титановых сплавов
Введение к работе
Актуальность и состояние проблемы. Авиационное и ракетно-космическое производство характеризуется тесными связями со всеми отраслями промышленности, где используется самые последние достижения науки, техники и технологии.
Одной из важнейших проблем в авиа-и ракетостроении является изготовление конструкций с повышенным ресурсом, отличающихся большим уровнем безотказности и живучести. Особое внимание в этой проблеме отводится повышению эффективности использования процессов листовой штамповки, различными методами которой изготавливается до 75% деталей планера самолета.
Другой, не менее важной проблемой современного производства
летательных аппаратов, является увеличение производительности труда,
повышение технологичности производства и качества конечного продукта за счет
интенсификации существующих и разработки новых технологических процессов
формообразования. Эти мероприятия в комплексе призваны снизить
материалоемкость конструкции при одновременном увеличении жесткости и
удельной прочности, расширить сферу применения высокопрочных,
труднодеформируемых материалов при производстве деталей летательных аппаратов. Все это положительно скажется на повышении точности и монолитности конечных деталей, приведет к снижению их весовых показателей, что в конечном итоге влияет на массу конечного изделия. Расчеты показывают, что при одной и той же полезной нагрузке снижение массы изделия на 1-2% приводят к увеличению дальности полета на 5-6%.
При создании авиационной и ракетной техники особое внимание уделяется
изготовлению их трубопроводных систем. По причине разрушений
трубопроводов летательных аппаратов наблюдается большое количество отказов, до 15-20% всех аварий и катастроф, поскольку трубопроводы работают в сложных условиях комплексного нагружения: перепады давления, пульсирующая нагрузка, большой диапазон температур, гидравлические удары.
В связи с этим, к материалам, из которых изготавливаются элементы трубопроводов, предъявляются высокие требования по механическим свойствам, а в процессе оценки качества изготовления отслеживаются шероховатости внешней и внутренней поверхности, соответствие формы сечения заданным размерам, а также оценивается минимальное утонение стенок.
По объему холоднодеформируемых изделий элементы трубопроводов в конструкции летательных аппаратов составляют до 15%. Трудоемкость изготовления трубопроводов составляет до 10% от трудоемкости всех заготовительно-штамповочных работ.
Как показывает эксплуатация, трубопроводы разрушаются по причине утонений в зонах изгибов или в зонах резкого изменения диаметров. К причинам низкой работоспособности можно отнести эллипсность, волнистость стенок, то есть те факторы, которые зависят от технологического процесса формоизменения заготовок.
Это приводит к выводу о том, что технологические процессы формообразования должны обеспечивать высокие механические характеристики
материала труб, качество внутренней и внешней поверхностей, минимальное искажение формы поперечного сечения трубы и минимальных утонений в зонах локальных деформаций. Таким образом, разработка новых принципиальных способов изготовления труб из алюминиевых, стальных, титановых трубных заготовок, повышение технологичности производства, а также повышение эффективности существующих способов, становятся весьма актуальными задачами.
При этом в направлении повышения эффективности существующих процессов можно выделить два пути. Первый связан с температурной интенсификацией (изотермический или дифференцированный нагрев материала заготовки) и силовой интенсификацией (дополнительная нагрузка к заготовке). Но наиболее эффективно совместное их применение, т.е. температурно-силовая интенсификация.
Температурное воздействие (дополнительный дифференциальный нагрев) позволяет в большинстве процессов формообразования регулировать толщину стенки, а также повышать коэффициенты обжима и раздачи.
Силовое воздействие заключается в распределении локальных деформаций, при критических степенях деформирования по всему очагу деформации. Совмещение этих факторов приводит к увеличению предельных степеней формоизменения. Также к силовому способу можно отнести осевой подпор заготовки в процессе раздачи.
В диссертационной работе, на базе проведенных исследований, а также
численного моделирования процессов деформирования, разработаны
рекомендации по интенсификации технологических процессов формообразования трубных заготовок, позволяющие значительно повысить технологичность изготовления деталей летательных аппаратов из трубных заготовок. С учетом соблюдения рекомендаций можно достигнуть увеличения коэффициента деформации трубных заготовок до двух раз за один переход, повысить точность изготовления и качество внутренней и внешней поверхностей. При этом трудоемкость и себестоимость изготовления практически не изменяются, улучшаются физико-механические характеристики, увеличивается ресурс деталей.
Таким образом, разработанные методы и средства управления процессом формообразования трубных заготовок позволяют снизить производственные издержки, сократить общий объем ручных доводочных работ, повысить технологичность изготовления новых деталей из труднодеформируемых сплавов.
Диссертационная работа была выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «Московский авиационно-технологический институт – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».
Целью диссертационной работы является повышение эффективности
существующих технологических процессов формообразования, разработка и
исследование новых технических решений по формообразованию трубных
заготовок для обеспечения технологичности и высокого качества деталей ЛА.
Для достижения цели работы были сформулированы и решались следующие задачи:
разработка математической модели процесса формообразования деталей гидрогазовых систем ЛА для задач осесимметричного и асимметричного деформирования с нагревом и без нагрева;
разработка и исследование новых способов раздачи деталей гидрогазовых система ЛА при различных способах деформирования (гибка-раздача по жесткому пуансону, обжим и раздача при помощи жестких пуансонов, при помощи эластичных и эластосыпучих сред, ротационный обжим и раздача)
проведение исследований и разработка математической модели процессов формообразования деталей гидрогазовых систем ЛА с применением жестких пуансонов, с учетом одновременного воздействия термической и силовой составляющей интенсификации технологического процесса;
- проведение исследований и разработка численной модели процесса
обжима и раздачи трубных заготовок с использованием эластичных и
эластосыпучих сред;
- проведение исследований локальной деформации при раскатке и
ротационном обжиме труб, разработка математической модели процесса раскатки
и ротационного обжима трубных деталей гидрогазовых систем ЛА на основе
энергетического метода баланса работ;
- установление качественных и количественных характеристик наиболее
рациональных технологических процессов формообразования деталей из трубных
заготовок;
- разработка рекомендаций по выбору схемы деформирования и
проектированию технологической оснастки для производства деталей
гидрогазовых систем ЛА;
разработка перспективных способов формообразования трубных заготовок с применением мощных импульсов токов.
проверка адекватности разработанных моделей путем экспериментальных металлографических исследований и прочностных испытаний.
В диссертационной работы были использованы следующие методы исследования:
- численное моделирование процессов обжима и раздачи трубных заготовок
с использованием теории пластичности и вариационных методов расчета;
- анализ влияния технологических факторов производства деталей на их
качественные показатели;
- конечно-элементное моделирование процессов формообразования деталей
из трубных заготовок;
- экспериментальные металлографические исследования макро -и
микроструктуры натурных образов изделий;
- испытания образцов трубных изделий на статическую и усталостную
прочность, виброиспытания, химический анализ поверхности после штамповки.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- разработана математическая модель формообразования деталей
гидрогазовых систем ЛА из трубных заготовок по жесткому пуансону с учетом
влияния определяющих факторов процесса, а именно: сил трения, упрочнения материала трубной заготовки в процессе деформации, силовой и термической составляющих процесса;
- разработана математическая модель процесса формообразования деталей
гидрогазовых систем ЛА из трубных заготовок с использованием эластичных и
эластосыпучих сред, проведено конечно-элементное моделирование, выявлены
предельные характеристики технологического процесса;
- разработана математическая модель для расчета параметров
технологического процесса при раскатке и ротационном обжиме концевого
участка трубы с учетом внеконтактных деформаций, сил контактного трения
между подпором и заготовкой, изменения механических характеристик
материала трубных заготовок в результате обработки в несколько переходов;
- впервые получены результаты комплексных экспериментальных
исследований характеристик изделий трубопроводов ЛА из алюминиевых
сплавов, нержавеющей стали, титановых сплавов на различные виды нагружений,
на основании которых разработан комплекс рекомендаций по силовой и
температурной интенсификации;
- на основе металлографических исследований формоизмененных трубных
заготовок получены микро-и макроструктурные данные, на основании которых
сделаны выводы о предельно допустимых стадиях процессов формообразования
деталей ЛА из трубных заготовок.
Достоверность диссертационной работы основывается на использовании
известных уравнений механики деформируемого твердого тела, использовании
лицензионных программных продуктов конечно-элементного анализа
напряженно-деформированного состояния конструкций, подтверждаемого
экспериментальными и расчетными данными, удовлетворительной сходимостью теоретических, расчетных и экспериментальных данных.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработан комплекс рекомендаций по проведению проектно-
конструкторских работ с учетом обеспечения технологичности проектируемых
деталей за счет выбора рациональных режимов проведения технологических
процессов формообразования деталей гидрогазовых систем ЛА;
- разработаны методика расчета процессов формообразования деталей ЛА
из трубных заготовок с учетом интенсифицирующих факторов, предложены
новые конструкции технологической оснастки, новые способы формообразования
концевых участков трубных заготовок;
- на основе проведенных экспериментов получены эмпирические
выражения для расчета технологических параметров процесса обработки трубных
заготовок с учетом влияния сил контактного трения, внеконтактных деформаций
и внешних сил;
- разработан комплекс рекомендаций по силовой и температурной
интенсификации процессов формообразования трубных заготовок, определены
рациональные режимы проведения технологических процессов, предложены
эффективные пути совершенствования процессов ротационного обжима и раздачи
деталей ЛА из трубных заготовок;
- разработаны программные продукты автоматизированного расчета
параметров технологического процесса ротационного обжима и раскатки,
получены коэффициенты Муни-Ривлина для различных типов эластичной и
эластосыпучей среды, приведены рекомендации по выбору формы конечного
элемента при конечно-элементном моделировании процессов формообразования
трубных заготовок;
Результаты работы:
- использованы в проектировании, конструкции и производстве самолетов в
ООО Научно-производственное объединение «АэроВолга» (446370, Самарская
область, Красноярский район, с. Красный Яр, а/я 17, e-mail: )
при разработке трубных полуфабрикатов, позволяющие повысить качество
изготавливаемых деталей, определить рациональные режимы обработки,
обеспечивающие высокую степень деформации трубы при заданном качестве
трубных деталей и подтверждает, что предложенный способ повышает
производительность формоизменения в 1,5-2,0 раза. Имеется акт об
использовании результатов работы;
- использованы для корректировки при производстве компонентов
авиационной техники в ЗАО «Санкт-Петербургская авиаремонтная компания»
(196210, Санкт-Петербург, ул. Пилотов, д.12, e-mail: ).
Установлено что процесс ротационного обжима труб в 1,2-1,5 раза повышает
предельные деформации заготовки по сравнению с обжимом на матрице, при
этом существенным фактором становится время обработки. Снижение времени
обработки при увеличении деформирующего усилия повышает степень
формоизменения заготовок. Имеется акт об использовании результатов работы.
Апробация работы подтверждена участием и докладами на следующих конференциях:
-
Актуальные проблемы российской космонавтики. ХХХIV академические чтения. Секция № 19. МГТУ им. Н.Э. Баумана (2010 г.);
-
Международная молодежная научная конференция «ХХХVI Гагаринские чтения». Секция № 5. МАТИ им. К.Э. Циолковского (2011 г.);
-
Международная молодежная научная конференция «ХХХVII Гагаринские чтения». Секция № 5. МАТИ им. К.Э. Циолковского (2012 г.);
-
Пятая международная конференция "Распределённые вычисления и Грид-технологии в науке и образовании" Лаборатория информационных технологий ОИЯИ (2012 г.);
-
Международная молодежная научная конференция «ХХХVIII Гагаринские чтения». Секция № 5. МАТИ им. К.Э. Циолковского (2013 г.);
-
V Международная научная конференция «Наука и образование в современной России» Министерство образования и науки РФ (2013 г.);
-
Актуальные проблемы российской космонавтики. ХХХIII академические чтения. Секция № 19. МГТУ им. Н.Э. Баумана (2013 г.);
-
Международная научная конференция «Современные проблемы науки и образования» Министерство образования и науки РФ 25-27 февраля 2014г.
-
Международная научная конференция Италия (Рим) 12-19 апреля 2014 г.
10. Международная научная конференция Израиль 25 апреля - 2 мая 2014г.
-
Министерство образования и науки РФ 20-23 мая 2014 г.
-
III Московская конференция по международной безопасности. Министерство обороны РФ 23-24 мая 2014г.
-
Международная научно-техническая конференция «Энергоэффективность-2014». Минск, Беларусь, 14-16 октября 2014 г.
-
Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования в области создания инновационных технологий и новых материалов, направленных на развитие авиационных и космических комплексов", Комсомольск-на-Амуре, 12-16 мая 2015 г.
15. Международная научно-техническая конференция «Интеллектуальные
материалы 2015», Германия (Киль), 10-12 июня 2015 г.
Публикации. Основное содержание диссертации раскрыто в 29 научных трудах, в том числе в 16 статьях, опубликованных в журналах рекомендуемого ВАК перечня.
Личный вклад. Все основные положения диссертации, теоретические
исследования, моделирование, экспериментальные работы, разработка
программно-расчетных комплексов выполнены лично соискателем.
Структура и объем диссертации. Представленная работа включает в себя
введение, пять глав, общие выводы по работе, список использованных
источников и приложения. Диссертация содержит 388 страниц основного текста, 259 рисунков, 70 таблиц, 2 приложения. Список литературы содержит 214 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Исследование влияния электроимпульсной обработки ЭИО на диаграмму
Необходимо отметить, что уравнения (1.1) можно применять и для простого, и для сложного случая нагружений [65, 85]. В качестве подтверждения вышесказанного можно привести многие практические задачи по пластической деформации анизотропных материалов, в которых учитывается уравнение (1.1) и в которых теоретические исследования неоднократно подтверждались экспериментальными исследованиями [65, 84].
Таким образом, можно сделать вывод, что для построения математической модели определились все необходимые факторы.
Следующей задачей можно считать задачу поиска факторов, которые влияют на повышение эффективности процесса пластической деформации, предотвращающие процессы потери устойчивости и разрушения ТЗ.
Оценка влияния гидростатического давления на процессы пластической деформации была проведена Бриджменом. Было установлено, что с ростом гидростатического давления также увеличивается и пластичность, т.е. показатель Є/ - деформация при разрушении. Данная зависимость близка к линейной для сталей (рис. 1.10), а для других металлов и сплавов является нелинейной (рис. 1.7). Результаты теоретических и экспериментальных исследования влияния высоких давлений на механические свойства материалов приведены в работах [50,65].
Эти экспериментальные исследования подтверждают, что в случае всестороннего сжатия, при отсутствии фазовых превращений пределы текучести сгт и прочностиов не подвержены особым изменениям. При этом деформация временного сопротивления разрыву, которая характеризуется моментом образования шейки при опытах на растяжение образцов материалов, также не изменятся. Влияние на диаграмму о(є) происходит только тогда, когда гидростатическое сжатие создает деформации, превышающие условный предел прочности, т.е. деформации, при которых происходит разрушение. 10 15 20
Диаграмма зависимости истинных деформаций ef при разрушении от гидростатического давления для сталей различных марок: 1 -сталь 12Сг-0,5Мо, твердость 87 HRB; 2 -сталь 18Сг-10№; 3,4 - высокоуглеродистая сталь после термообработки (закалка в масле и отпуск), твердость 48 HRC и 56 HRC соответственно. Таким образом, можно прийти к выводу о том, что для многих материалов истинные деформации разрушения от сжатия с усилием, соизмеримым с пределом их прочности можно значительно увеличить.
Представим графически экспериментальные данные по влиянию величин /, в, Р, с учетом независимых о(є) в пространстве а, є, В,, в виде семейства поверхностей при в= const, а = о{є,4) (рис. 1.11).
На графике представлена поверхность напряжений а, которая определяется температурой исследуемого образца ((9= const). Данные поверхности показывают не все пространство а,є, , а пространство, ограниченное некоей поверхностью К За данной поверхностью уже наступает разрушение исследуемого образца. Согласно экспериментальным данным, положение поверхности Z зависит от действующего гидростатического давления, а также электромагнитных полей.
Используя экспериментальные данные и графическое построение можно определить состояние некоторого элемента объема исследуемого образца в процессе деформирования (на графике показано траекторией движения точки в пространстве а,є,).
Исходя из представленного графика, можно сделать вывод об основных требованиях, предъявляемых к технологическому процессу формообразования из заготовки в деталь: - в процессе деформирования каждый элемент объема заготовки дол жен проходить по траектории в заданном пространстве а,є,; таким образом, чтобы не пересекать поверхность Е; - точка траектории, которая будет являться конечной должна обеспе чивать остаточную прочность детали для выполнения ею заданных функций.
Влияние на зависимость о(є) электроимпульсной обработки исследовались ранее в работах [75, 77].
В данном разделе речь идет о влиянии ЭИО на свойства титановых сплавов ОТ4 и ВТ20. Испытания проводились в соответствии с методикой испытаний на растяжение до разрушения на испытательной машина ИС6 18-100-4. Образцы изготавливались в соответствии с ГОСТ 11701-84. На исследуемые образцы наносились риски с погрешностью не более 0,02 мм с целью последующего измерения удлинения.
Часть маркированных образцов испытывались без предварительной ЭИО. Опытная серия образцов подвергалась ЭИО с уровнями электрической энергии q = 0,4...5 Дж/мм3 на экспериментальной установке, в состав которой входил: низковольтный трансформатор; прерыватель сварочного тока, токопроводящее устройство, токоведущие кабели, измерительная аппаратура (осциллографы, манометры) и др.
С помощью данной установки можно обеспечивать импульсный электрический ток ИЭТ для заготовок с различными формами сечения, в т.ч. круг, трубная заготовка различных длин (до 350 мм).
При помощи манометра осуществлялось измерение усилия сжатия контактов от эксперимента к эксперименту. Контакты изготовлялись из латуни.
В процессе ЭИО образцов опытной серии проводилось измерение температуры f, интегрального разогрева поверхностных слоев. По результатам экспериментов был построен график зависимости f(q) (рис. 1.12).
После проведения ИЭТ были проведены испытания образцов на растяжение до разрушения аппаратуры для получения диаграммы Р = f(L). Определялись следующие величины: предел прочности ств; условный предел текучести j0,2, относительное удлинение д. Кроме этого определялась вели 41 чина характеристики штампуемости материала оот: Com &02 Ое Для каждого титанового сплава строились графические зависимости каждой вышеуказанной величины от уровня удельной электрической энергии q (см. рис 1.13 - 1.18). . Процессы испытаний исходной и опытной серии записывались с помощью
Математическое моделирование процессов ротационного обжима и раскатки
Возможности процессов формообразования ТЗ посредством сыпучих сред ограничены их физико-механическим поведением, которое определяется в основном давлением формообразования.
В качестве таких сред выступают, как правило, сыпучие гранулированные материалы, отличительной особенностью которых является то, что в процессе нагружения в интервале рабочих давлений в них происходят необратимые изменения формы за счет относительных смещений (проскальзывания) гранул. Таким образом, моделирование поведения сыпучих гранулированных сред в процессах формообразования рассматривается исключительно под нагрузкой.
В работах, посвященных поведению сыпучих сред под нагрузкой, отмечено, что сыпучие среды рассматриваются как материал, который не работает на растяжение вследствие того, что под нагрузкой он максимально насыщен нарушениями связности. Сыпучий гранулированный материал по представляет собой цепочку частиц, которые соприкасаются друг с другом и могут оказать сопротивление сжатию и не могут выдержать растяжение. Т.е. при = 0 происходит отрыв частиц по площадке, нормальной линии действия растягивающих усилий, без образования шейки.
Микрочастицы сыпучего материала имеют в ненагруженном состоянии несогласованные формы, однако при сжатии они деформируются и соприкасаются по некоторой площади, которая увеличивается с увеличением нагрузки, в связи с чем диаграмма сжатия является нелинейной функцией. Степень нелинейности 3/2 по Герцу.
При снятии нагрузки площадки контакта уменьшаются, но по закономерности, существенно отличающейся от той, что была при нагрузке. Таким образом, кривые нагружения и разгрузки не совпадают, образуется петля гистерезиса. Следует отметить, что в данном случае речь идет о упругих контактах.
Если рассматривать объемную нагрузку, то степень нелинейности при испытаниях песка различной плотности уже иная, чем при одноосной нагрузке. Это объясняется тем, что число контактов существенно увеличивается с ростом давления, что приводит к увеличению эффективной площади гораздо быстрее, чем в одномерной цепочке, где число контактов неизменно.
Введем понятие среднего числа контактов между соседними микрочастицами. Оно будет зависеть от типа (размерности) сжатия. Подобного рода зависимость даст нам возможность оценивать чувствительность сыпучего материала к отдельным видам напряженного состояния. Поведение сыпучего материала будет гетерогенно-упругое.
При переходе к задачам гидростатического давления, кроме нормальных сил N возникают еще и касательные силы Т, которые приводят к появлению на периферии контакта кольцеобразной зоны скольжения. С увеличением нагружения скользящая зона может охватывать всю область контакта. Такой контакт называется скользящим.
Скользящий контакт можно охарактеризовать по Новожилову соотношением касательного и нормального напряжений т/а. Поскольку размеры и формы гранул нерегулярны, то соответственно различным соотношениям т/а соответствуют различные скользящие контакты. Следственно сопротивление сдвигу, которое характеризуется данным соотношением также зависит от размерности напряженного состояния.
С увеличением т 11 а увеличивается количество скользящих контактов. Переход в скользящий режим сопровождается проскальзыванием, которое приводит к необратимым изменениям формы микрочастиц. Отмечается, что при фиксированном нормальном напряжении, при возрастании касательного напряжения сыпучая среда пластически упрочняется, а при уменьшении касательных напряжений становится упругой. Охарактеризовать данное явление можно предельным конусом разрушения по Мизесу-Шлейхеру и предельной пирамидой разрушения по Кулону-Мору, которые имеют общую вершину в начале координат, с учетом вложенной конической или пирамидальной предельной поверхностью.
С увеличением угла конуса нагружения, и с ростом соотношения т/а процесс активизируется, что вполне объяснимо внутренним контактным трением. Внутренним контактным трением также объясняется тот факт, что при расхождении диаграмм т-у диаграммы стабилометрических испытаний в зависимости от бокового давления остаются неизменными. В свою очередь, при испытании песчаных грунтов расхождение диаграмм т-у и а-е объясняется зависимостью секущих модулей от касательных напряжений т нормальных напряжений а и %G.
Скользящий контакт приводит к необратимому изменению объема упаковки гранул, вследствие несвязности. Данное явление называется - дила-тансия. Дилатансия объясняется пористостью, видом сдвига, внешним давлением и др. При объемных и сдвиговых пластических деформациях, в диа 112 пазоне умеренных напряжений дилатансионная связь будет являться ограничивающим внутренним кинематическим фактором
Можно отметить, что упрочнение ограничено количеством нескользящих контактов. В случае, когда концентрация групп микрочастиц со скользящими контактами достаточно высока, процессы деформирования могут развиваться неоднозначно. Могут появляться побочные продолжения деформации, как локализованные в виде сдвига, так и диффузионные в виде выпучивания или бочкообразования.
Таким образом, напряжения в сыпучих гранулированных средах не будут являться независимыми функциями деформаций, т.е не будут являться выпуклой функцией инварианта тензора деформаций. Зададим форму потенциала в следующем виде:
Исследование процессов формоизменение ТЗ при раскатке и ротационном обжиме
Примем основные допущения и предположения согласно работы [105]: - формоизменение происходит за счет сдвига; - принимаем силы трения равными нулю; - не учитываем изгиб фланца. Используем следующие уравнения: - для осевого направления используем уравнение равновесия; - для определения плоского напряженного состояния используем условие пластичности и условие постоянства объема. Решим совместно исходные уравнения при заданных граничных условиях: S = S, + rn(l-sina), а = 0. Это даст возможность найти дет и V /" z нормальное давление на ролик в очаге деформации. Для этого используем формулу: =
Величину as, входящую в данную формулу найдем из диаграммы as - su которая была получена при испытаниях на одноосное сжатие. Используем данную формулу для определения среднего нормального давления q ср
Схема определения зон контакта [105] и проекций площадей контакта Примем следующие предположения и допущения [120]: - не учитывается изгиб заготовки и распрямление фланца; - не учитывается число проходов давильного ролика. Уравнения равновесия записываются в цилиндрических координатах, в зависимости от зоны ТЗ используется приближенные условие пластичности. Получим формулу для расчета контактных давлений путем совместного решения этих уравнений: cp2m — где A: - пластическая постоянная; р - функция условия пластичности. Другие переменные приведены на рис. 3.14, где показаны эпюры распределения давления в зоне контакта ролика и конуса заготовки для случая ротационной вытяжки по закону «синуса».
Используем теорию продольной прокатки для определения НДС с учетом уравнений равновесия, а также приближенных условий пластичности в применении к рассматриваемым зонам заготовки [13, 22, 32, 56, 62, 109, 155 и др.].
Выделим четыре основные зоны и определим для них контактные напряжения OQ. Зона отставания (1), зона отставания-прилипания (2), зона опережения-прилипания (3), зона опережения (4) (рис. 3.15).
Процесс ротационного обжима осуществляется в следующей последовательности (рис. 3.16). Вращающаяся трубчатая заготовка (1) по оси подается в имеющийся профилированный зазор между оправкой (2) и давильным роликом (3). Вращение обеспечивается оправкой 2. Осевое перемещение происходит за счет отклонения оси вращения ТЗ от оси вращения оправки на угол а (рис. 3.17). Сила Р обеспечивает упругое сжатие стенки заготовки, что приводит к снижению потери устойчивости.
Под действием комплекса осевых и радиальных усилий происходит локальное деформирование концевого участка заготовки. В начале процесса деформирование происходит в нестационарном очаге деформации, который с течением времени переходит в стационарный.
Исключая потери на упругое деформирование стенки трубы от силы Р, принимаем следующее допущение: работа от внешнего момента Мер полностью расходуется на обжим концевого участка трубы. Следовательно: (принимаем, что толщина стенки в очаге деформации S=S0- const, поскольку происходит упругое сжатие стенки трубы и деформациями можно пренебречь), R - радиук кромкз заготовки, обеспечивается радиусами оправки, Ah - величина подачи заготовки на один оборот (в мм) sm=ln(R(/R).
Преобразуем уравнение (3.46) и получаем, что работа, приходящаяся на один оборот детали М = cysiRSkhoxv(sm ), (3.47) где є, = 1,15sm, crs = сгп +пєп R = R0-Ahsma&хр(єт). Расчет работы внешнего момента за последующие обороты детали проводим по уравнению (3.47) и суммируем по формуле: N- общее количество оборотов заготовки от і=1 до i=N. Скорость вращения заготовки определим из соотношения радиусов кромок оправки и заготовки и приведем к оборотам в секунду: nR Д R060 где п - частота вращения оправки (об/мин). Определим время, затраченное на обработку:
Математическая модель процесса формообразования концевых участков трубчатых заготовок с использованием метода ротационного обжима позволяет автоматизировать отдельные этапы новых производственных процессов, связанных с силовыми параметрами подачи заготовок по оси и радиальных усилий, развиваемых на роликах. Предварительные расчеты силовых параметров позволят сократить как материальные, так и трудовые затраты на разработку новых технологических процессов, повысить качество деталей за счет снижения потери устойчивости и разрушения заготовок.
Исследование энергосиловых и кинематических характеристик пластического течения ТЗ и эластичной среды С целью разработки модификации метода верхней оценки применительно к задачам формовки эластичными и сыпучими средами проводилось сравнение результатов решений задач технологической пластичности с учетом предлагаемых изменений. В качестве тестовой задачи использовалась задача сжатия пластической среды между параллельными плитами с известной жесткостью и шероховатостью (рис. 3.19).
Влияние электротермического воздействия на свойства деталей из титановых сплавов
С целью сравнения опытных и расчетных данных были проведены физико-механические испытания на растяжение образцов материалов патрубков, изготовленных различными методами по жестким пуансонам. Образцы вырезались из различных зон готовых деталей, в то время как на исходных ТЗ они вырезались из одних и тех же мест. Испытания на растяжение были произведены с помощью машины «Шпеер». Результаты исследований показаны в таблице 4.27.
Из табличных данных следует, что при использовании процессов горячей формовки ТЗ по жестким пуансонам предел прочности и текучести увеличивается на 10... 15 %. При этом удлинение остается неизменным. Наибольшего упрочнения можно добиться при получении крутоизогнутого патрубка со стороны вогнутой части. Таким образом, физико-механические свойства материалов деталей остаются практически без изменений от исходных состояний ТЗ. При этом физико-механические свойства даже улучшаются за счет увеличения сгв и сгт при неизменном удлинении. Тем самым повышается основной показатель надежности - ресурс изделий, что положительно влияет на качество готового изделия. Увеличение сгв и сгт обеспечивается упрочнением материала ТЗ в процессе формоизменения.
Испытаниям подвергались четыре типоразмера образцов, изготовленных из алюминиевого сплава АМг2М способом сварки. Цель испытаний -проверка на прочность образцов, которые уже прошли проверку на герметичность и опрессовку. Образцы устанавливались на вибростенде ВЭДС-1000 в специальное приспособление. Вибрация направлялась перпендикулярно оси трубы и приварного патрубка
Частота колебаний, амплитуда и прочие характеристики задавались по ГОСТ 21653-76 и были сведены в таблицу 4.28.
В основном, образцы трубопроводов, полученные сваркой труб и приварных патрубков из материала АМг2М, удовлетворяют условиям вибропрочности. Таким образом, подтверждено положительное влияние изготовления элементов трубопроводов с одновременным приложением силового и температурного фактора на качество и ресурс деталей.
Испытания проводились для двух сваренных между собой крутоизогнутых патрубков размерами 50x1x38 мм, выполненными из материала АМг2М по ГОСТ 17239-71 и ОСТ 100128-74 на гидравлическом стенде К 126000-0000. Последовательность испытаний: - внутрь сваренных патрубков поступала вода с подъемом давления до 6 -105 Па (трехкратное рабочее давление) с выдержкой 2 ч; - после двух часового выдерживание давление не снизилось, что является свидетельством о герметичности соединения. После этого давление поднималось через каждые 15 мин. с интервалом 106 Па до момента разрушения; Разрушение наступило при достижении давления 9,5-106 Па по сварному шву. Запас прочности соединения 42-кратный. Наступило изменение геометрических размеров патрубков (увеличение диаметра с 50 до 53 мм). В основном материале патрубков разрывов и трещин не обнаружено.
Интенсификация процессов формообразования достигается за счет рационального сочетания силового и термического воздействия, которое приводит к появлению напряженного состояния материала ТЗ, увеличивающего степень деформации. Силовой фактор достигается путем использования специального оборудования силового воздействия, которое прикладывается непосредственно к ТЗ, элементами оснастки и другими технологическими средствами. Температурное воздействие может осуществляться прямым методом, путем подвода тепла непосредственно к заготовке и косвенным, когда теплом от внешнего источника различными способами подается в зону нагрева. Практика показывает, что наиболее рациональным способом является нагрев оснастки и непосредственная передача тепла к ТЗ.
Титановые сплавы обладают серьезными преимуществами перед сталями, алюминиевыми сплавами: более высокой удельной прочностью до температур 450...500 С и более высокой коррозионной стойкостью. При этом они обладают целым рядом специфических свойств, которые предполагают применение новых, существенно отличающихся от традиционных, технологических процессов.
К таким свойствам относятся: - низкий модуль упругости, что ограничивает применение холодной деформации; - окисление и газонасыщение поверхности, снижение пластичности и склонность к хрупкому разрушению за счет высокой химической активности при нагреве; - возникновение значительных напряжений в материале при нагреве и охлаждении за счет низкой теплопроводности.
Были проведены исследования образцов ТЗ из ОТ4 и ОТ4-1. Исследовалось влияния различных режимов нагрева ТЗ с целью формообразования и последующего отжига на их физико-механические характеристики и эксплуатационные свойства. Исследовались образцы, вырезанные из деталей, после проведения формообразования с нагревом оснастки ТВЧ 60 кВт и частотой 440 кГц. Максимальные температуры нагрева достигали 750 С. От начала нагрева до охлаждения (300...320 С) проходило 30... 50 с.
По результатам визуально-оптического исследования поверхности был сделан вывод, что цвет поверхности менялся в зависимости от режима нагрева от светло-желтого и голубого до красного. Это указывает на то, что окисная пленка меняет толщину от 0,03 до 0,05 мкм в зависимости от изменения температуры нагрева в пределах 500 до 750 С за относительное небольшое время (50 с). Наличие на образцах ТЗ следов масла, грязи и влаги приводит к неравномерному нагреву, что можно оценить по распределению изменения цвета окисной пленки по поверхности.
Последующий отжиг при 550...600 С в течение 1 ч не приводит к изменению цвета пленки, при это толщина ее увеличивается на 0,02...0,03 мкм. При температурах 750...850 С окисная пленка начинает разрушаться, становится хрупкой и непрочной. При температурах около 900 С начинает образовываться оксид титана Ті02. Отсюда видно, что такие условия термообработки, при которых не возникает окисления, непрактичны. Исследовалось содержание кислорода, водорода и азота в окисной пленке на поверхности. Содержание кислорода анализировалось при помощи импульсного нагрева в потоке инертного газа при температуре 3000 С и регистрировалось хроматографом ЛХМ-8МД. Содержание водорода выявлялось спектральным анализом при низковольтном разряде с помощью спектрографа ИСП-51 по ОСТ 90034-81. Содержание азота определялось с помощью титрометрического метода, растворением пленки в серной кислоте по ГОСТ 9856-1-79.