Исследование и разработка технологического процесса производства оболочек из волокнистых композиционных материалов на примере композиции АД1-БОР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Преображенский, Евгений Владимирович

• Преображенский, Евгений Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Преображенский, Евгений Владимирович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Преимущества применения волокнистых композиционных материалов.

1.2. Технологические схемы производства оболочек.

1.3. Методические основы проектирования процессов производства изделий из ВКМ.

1.4. Возможности математического моделирования для анализа напряженно-деформированного состояния.

1.5. Предлагаемый способ получения армированных оболочек.

Выводы.

Цель работы и задачи исследования.^.

Глава 2. Материалы и методы исследования.

2.1. Исходные материалы.

2.2. Параметры заготовок и их сборка.

2.3. Методы испытаний полученных оболочек.

2.4. Методика конечно-элементного анализа и используемое программное обеспечение.

Глава 3. Исследование условий и режимов производства армированных оболочек методом обкатки.

3.1. Анализ процесса изготовления оболочек с позиций критериальной системы.

3.2. Математическое моделирование процесса обкатки.

3.2.1. Параметры исследуемых моделей.

3.2.2. Проверка достоверности математических моделей.

3.2.3. Послойные деформации при обкатке ВКМ.

3.2.4. Расчёт напряжения компактирования.

3.2.5. Оценка допустимой нагрузки на волокна.

3.2.6. Определение изменения шага укладки.

3.2.7. Саморегулирование структуры.

3.2.8. Изгиб волокна и уширение при обкатке.

3.2.9. Распределение температур в сборной заготовке.

3.3. Изучение возможностей производства оболочек относительно большого диаметра.

3.4. Обеспечение требуемой формы оболочки на выходе из валков.

3.5. Определение усилия обкатки.

Выводы.

Глава 4. Разработка технологии производства армированных оболочек и проверка режимов обкатки.

4.1. Проектирование технологической оснастки.

4.2. Автоматизация расчёта технологических параметров.

4.3. Результаты экспериментальных исследований.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологического процесса производства оболочек из волокнистых композиционных материалов на примере композиции АД1-БОР»

Развитие машиностроения, энергетической, авиационной, космической и др. отраслей промышленности опирается на разработку и использование деталей из новых материалов, способных повысить надёжность и срок службы изделий, снизить их материалоёмкость, улучшить несущую способность конструкций. К классу деталей, удовлетворяющих этим требованиям, в том числе принадлежат армированные оболочки.

Возросшие требования к эксплуатационным характеристикам глубоководных аппаратов, работы над самолётом следующего поколения, планы по созданию к 2015 году Российской космической станции, программа освоения дальних планет — привели к обширным исследованиям и практическим испытаниям изделий из волокнистых композиционных материалов (ВКМ). В частности, это касается оболочек из алюминиевой матрицы, упрочненной борными волокнами.

Преимущества бороалюминия определяются высоким уровнем удельных прочности и жёсткости, способностью длительно работать в условиях знакопеременных нагрузок и при повышенных температурах. Благодаря этим достоинствам армированные оболочки нашли применение в узлах конструкций, подвергающихся интенсивному нагреву, для кожухов, юбок ракетного двигателя, переходных отсеков, трубных опор и стабилизаторов. Эффективна работа бороалюминиевых оболочек в качестве силовых элементов, так как замкнутый цилиндрический контур способен выдерживать нагрузку без потери устойчивости более длительно, чем профили незамкнутого контура.

Важно отметить, что на свойства получаемого композита существенно влияет способ его производства. Применительно к изготовлению оболочек можно выделить: компактирование с использованием термоупругого пресса, методы волочения, раздачи, прессования и др. Однако перечисленные процессы имеют несколько недостатков: недостаточно большую производительность, снижение прочности из-за термоциклирования, низкий выход годного, высокую стоимость оснастки, сложность наладки оборудования. К тому же, для производства оболочек относительно большого диаметра применяется многостадийный процесс, включающий сборку армированных секций с помощью клёпки. При этом ухудшаются механические характеристики и герметичность изделия.

Поэтому актуальной задачей является разработка новых технологических процессов производства бесшовных продольноармированных оболочек, к числу которых следует отнести метод обкатки.

В связи с этим цель настоящей работы заключается в исследовании и разработке научно-обоснованной технологии производства продольно-армированных цилиндрических оболочек из ВКМ на примере композиции АД 1-бор обкаткой за один проход.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Анализ процесса обкатки армированных оболочек за один проход.

2. Изучение процесса компактирования сборной заготовки по схемам осадки и обкатки с помощью математического моделирования.

3. Создание программного обеспечения для автоматизированного расчёта основных технологических параметров.

4. Проектирование и изготовление оснастки для производства армированных оболочек обкаткой.

5. Экспериментальная проверка результатов исследования, изучение структуры и свойств полученных изделий.

6. Разработка технологического процесса получения оболочек из АД1-бор. Научная новизна:

1. Разработана методика анализа процесса компактирования оболочек из ВКМ на базе метода конечных элементов. Выявлены закономерности заполнения ячеек композита с учётом изменения шага укладки армирующих волокон и саморегулирования структуры.

2. Показано, что положение нейтрального сечения при обкатке может быть рассчитано по формуле Экелунда-Павлова.

3. Предложена функциональная зависимость расчёта напряжения компактирования и полного усилия обкатки с учётом реологических свойств материала и основных технологических параметров процесса, в том числе для случая ассиметричной обкатки.

Практическая значимость работы:

1. Спроектирована и изготовлена установка для обкатки, обеспечивающая постоянство прикладываемого усилия при компактировании.

2. Разработан технологический процесс обкатки армированных оболочек, позволяющий получать бесшовные изделия за один проход. На способ производства армированных оболочек получен патент РФ на изобретение № 2209131, приоритет от 21.11.2001.

3. Создано программное обеспечение для расчёта основных технологических параметров процесса обкатки и для построения конечно-элементных моделей компактирования ВКМ. Достоверность работы подтверждается хорошей сходимостью данных, полученных в ходе математического моделирования, с результатами проведенных экспериментов, а также применением апробированных методов исследований и программных комплексов численного решения.

Тематика работы обсуждалась на 8 всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на Международной конференции «Слоистые композиционные материалы», Волгоград, 2001 г.; Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2004 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2002г.; конференции «Международная неделя металлов», Москва, 2003; Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2007 г. Результаты диссертации представлены на международном авиакосмическом салоне МАКС-2005 (г. Жуковский).

Основные положения диссертации опубликованы в 19 работах - в том числе 2 статьи в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ. По результатам работы получен патент РФ на изобретение № 2209131.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка использованной литературы, включающего 83 наименования. Изложение занимает 155 страниц машинописного текста, содержит 75 рисунков, 16 таблиц и приложение.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Преображенский, Евгений Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. С помощью критериальной системы исследована возможность производства бесшовных цилиндрических оболочек из ВКМ обкаткой за один проход. Очаг деформации условно разделён на 2 зоны: в первой достигается полное уплотнение заготовки композита, во второй происходит адгезионное взаимодействие компонентов ВКМ. В соответствии с этим, используя критериальные выражения, рассчитаны минимально необходимая степень деформации и скорость обкатки с учётом температуры процесса. Для композиции АД 1-бор рекомендован температурный интервал компактирования 48(К520°С. Согласно расчётам, при соблюдении изотермических условий требуется, чтобы скорость обкатки не превышала 10 мм/с, а деформация -максимально допустимой, определяемой поперечной прочностью волокна. Отмечено, что при контроле величины обжатия заготовки в валках существует вероятность разрушения волокон, поэтому в качестве основного управляющего параметра технологического процесса обкатки выбрано усилие компактирования.

2. Методом конечных элементов смоделирован процесс осадки заготовки ВКМ из АД 1-бор в закрытом контейнере. Получено аппроксимирующее выражение для расчёта напряжения компактирования в зависимости от степени деформации сборной заготовки. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние, возникающее в ходе уплотнения ВКМ. Установлено наличие зон затруднённого течения матричного материала -данные области могут использоваться для оценки степени уплотнения готового композита. Изучены напряжения, возникающие в волокне при компактировании. Подтверждена эффективность применения плазменных лент, заключающаяся в относительном равенстве послойных деформаций и равномерном распределении волокон по объёму ВКМ.

3. Проведён конечно-элементный анализ процесса обкатки ВКМ. Установлено, что при компактировании в валках появляются зоны отставания и опережения, причём нейтральное сечение расположено в месте, предшествующем полному уплотнению композиционного материала. Выяснено, что обкатка продольноармированных оболочек сопровождается ростом шага укладки волокон и их незначительным изгибом. Во время компактирования наблюдается процесс саморегулирования структуры ВКМ, а уширение заготовки практически отсутствует. По результатам анализа предложена формула для расчёта изменения шага укладки волокон в зависимости от протяжённости очага деформации.

4. Рассмотрен способ производства армированных оболочек относительно большого диаметра с использованием пустотелой оправки. Установлено, что для расчёта основных технологических параметров следует применять приведённый радиус инструмента (валка и оправки).

5. Получена формула для нахождения полного усилия обкатки ВКМ с учётом геометрии заготовки и инструмента, сил трения и реологических свойств материалов композиции при заданных температурно-скоростных условиях компактирования. Разработана методика для расчёта основных технологических параметров процесса обкатки. Для автоматизации вычислений создано специальное программное обеспечение, в которое дополнительно заложена функция для построения конечно-элементных моделей и проведения анализа различных композиций ВКМ.

6. Спроектирована и изготовлена установка для обкатки ВКМ. Особенностью конструкции является возможность поддержания постоянного усилия, вращение валков с требуемой невысокой скоростью (от 0,1 мм/с до 30 мм/с), и разборная боковая стенка для облегчения снятия готовой армированной оболочки. Изотермические условия должны обеспечиваться дополнительными нагревательными устройствами.

7. Разработан технологический процесс производства оболочек из ВКМ обкаткой за один проход и изготовлена опытная партия изделий. Армированные оболочки, полученные по расчётным параметрам, имеют компактное строение, волокна равномерно распределены в матрице, большая их часть (>90%) сохранила целостность и исходную прочность. Между компонентами ВКМ установлена качественная связь, механические свойства композита близки к расчётным. На способ производства оболочек из ВКМ получен патент Российской Федерации на изобретение № 2209131 (приоритет от 21.11.2001).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Преображенский, Евгений Владимирович, 2011 год

1. «Новые материалы и технологии». Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции, М.: МАТИ, 2005 г.

2. Lenoe, Е.М. and Hoppel, C.P.R. "Metal Matrix Composites for Army Applications", Proceedings of the ARL/TJSMA Technical Symposium, pp. 157-178. West Point, NY, 2000.

3. Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Применение ИПИ-технологий в производстве». Тезисы докладов, М.: МАТИ, 2005 г.

4. Comprehensive composite materials /под ред. A. Kelly, С. Zweben. Vol.3 Metal Matrix Composites /ред. тома T.W. Clyne. UK: Cambridge University Press (ISBN 0-08-042993-9), 2000.

5. В.Г. Дмитриев, В.М. Чижов. Основы прочности и проектирование силовой конструкции летательных аппаратов. М.: Бумажная галерея, 2005, 413с.

6. Сверхзвуковые самолеты мира: Полная иллюстрированная энциклопедия/ В.А. Баргатинов. -М.: Эксмо, 2005, 687с.

7. Шоршоров М.Х., Колпашников А.И., Костиков В.И. и др. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей. М.: Машиностроение, 1981, 272с.: ил.

8. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение: Учебник для высших технических заведений. 3-е изд., М.: Машиностроение, 1990.

9. Справочник «Авиационные материалы». Том 4. Алюминиевые и бериллиевые сплавы. Часть 1. Деформируемые алюминиевые сплавы и сплавы на основе бериллия. В двух книгах. /Под общ. ред. P.E. Шалина -М.: ОНТИВИАМ, 1983.

10. Композиционные материалы: Справочник/ В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 е.; ил.

11. Композиционные материалы: в 8-ми т. Пер. с англ. / Под ред. JI. Браутмана и Р. Крока. Т.4. Композиционные материалы с металлической матрицей / Под ред. К. Крейдера. М.: Машиностроение, 1978. 503 е., ил.

12. Композиционные материалы на никелевой основе. Портной К.И., Бабич Б.Н., Светлов И.Л. М.: «Металлургия», 1979, 264с.

13. Иванова B.C., Устинов Л.М. ФХОМ, 1967, №2, с. 138-145

14. Composite materials: science and engineering / Krishan K. Chawla. New York: Springer-Ver Jag, 1987.

15. Милейко C.T., Сорокин И.М., Цирлин A.M. Прочность боралюминия -композита с прочными волокнами «Механика полимеров», 1973, №5, с. 840-846.

16. Engineered materials handbook, v. 1. Composites / Handbook Committee Metals Park, Ohio : ASM International, 1987.

17. Структура и свойства композиционных материалов / Портной К.И., Салибеков С.Е., Светлов И.Л. и др. М.: Машиностроение, 1979, 255с., ил.

18. Composite materials / Mel Schwartz. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall PTR, 1997.

19. Жигач А.Ф., Цирлин A.M. Получение борных нитей (волокон) и их свойства. — В кн.: Волокнистые и дисперсноупрочненные композиционные материалы. М.: Наука, 1976, с. 20-24

20. Келли А. Высокопрочные материалы. Пер. с англ. /Под ред. С.Т. Милейко. М.: Мир, 1976, 262с.

21. Жигач А.Ф., Цирлин A.M. Физико-химические свойства и прочностные характеристики борных нитей, перспективы их применения для армирования композиционных материалов. Журнал Всесоюзного хим. общества им. Д.И. Менделеева, том XXIII, 1978, №3, с. 264-272.

22. Шоршоров М.Х., Алехин В.П. Влияние среды и состояния поверхности на процесс пластической деформации кристаллов (обзор). — Физика и химия обработки материалов. 1976, №1, с. 62-76.

23. Тананаев И.В. «Вестник АН СССР», 1972, №2, с. 21-29.

24. Bates Н.Е., Wald F., Weinstein M. 10th National Symposium, SAMPE, San Diego, 1966, p. 148-154

25. Справочник металлиста. В 5-ти томах. Том 2. Под ред. А.Г. Рахштадта и В.А. Брострема. М.: «Машиностроение», 1976, 720с.

26. Composite Materials. Vol. 4. /под ред. R. В. Pipes. New York: Elsevier, 1991.

27. Композиционные металлические материалы. Труды научно-технической конференции. ВИАМОНТИ, 1972г.

28. Иванова B.C. и др. Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами. М.: Наука, 1974г.

29. Колпашников А.И., Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф. Деформирование композиционных материалов. М.: Металлургия, 1982, 248с.

30. Toth I.J., Brentnall W.D., Menke G.D. Making product from composites. Journal of Metals, 1972, v.24, №10, p. 37-42.

31. Metal Matrix Composites: Status and Prospects. Reports of the Ad Hoc Committee on Metal-Matrix Composites. NMAB-313, National Academy of Sciences, Washington, D.C., 1974, 37p.

32. M.D. Weisinger. Composites Struts Pare Space Shuttle Weight. Metal Progress, 1978, v.l 13, №5, p. 60-65.

33. Christian J. Aluminum-boron composites for aerospace structures. Metal Progress, 1970, v.97, №5, p. 113-122.

34. Hoppel, C.P.R., Beatty, J.H., Montgomery, J.S., Bender, J.M. and Bogetti, T.A. "Metal Matrix Composite Materials for Ordnance Applications." Proceedings of the 22nd Army Science Conference, Baltimore, MD, 2000.

35. Колпашников А.И., Мануйлов В.Ф., Ширяев Е.В. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами. М.: Металлургия, 1975, 58с.

36. Т. Robert. Metal Progress, 1972, v. 102, №2, 88-92c.

37. Хаттон Орд. Акустическая эмиссия в кн.: Методы неразрушающих испытаний/Под ред. Р. Шарпа. Пер. с англ., М.: Мир, 1972

38. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977, 184с.

39. Матусевич A.C. Композиционные материалы на металлической основе. Минск: Наука и техника, 1978, 305с.

40. Галкин В.И. Закономерности компактирования и технологического производства полых деталей из волокнистых композиционных материалов на металлической основе. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МАТИ, 1996.

41. Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф., Тихонов A.C., Колпашников А.И. и др. К вопросу о получении ВКМ с металличской матрицей методами обработки металлов давлением. Технология лёгких сплавов, 1977, №11, с. 68-71.

42. Шоршоров М.Х. Сварка давлением: Справочник, т. 1. Сварка в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978, 357с.

43. Палтиевич А.Р. Исследование и разработка процесса горячего однопроходного волочения продольно-армированных труб из бороалюминия на подвижной оправке. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МАТИ, 2000, 22с.

44. Кулапов А.К., Шишин В.М., Радьков А.И. Устройство для изготовления трубных композиционных изделий. Авторское свидетельство на изобретение № 1018290, 1983

45. Мануйлов В.Ф., Смирнов В.И., Галкин В.И. и др. Устройство для изготовления трубчатых изделий из волокнистых композиционных материалов. Авторское свидетельство на изобретение № 1496136, 1987.

46. Hanes H.D. Hot Isostatic Processing Reaches Maturity. SAMPE Quarterly, 1974, v.5, No 2, pp. 1-9.

47. Процессы изостатического прессования. /Под ред. Джеймса П.Д. М.: Металлургия, 1990, 193с.

48. Волокнистые композиционные материалы. /Под ред. Дж. Уитона, Э.Скала. Пер. с англ. под ред. А.Ф. Белова. — М.: Металлургия, 1978.

49. Арефьев Б.А., Гурьев А.Н., Горина Н.Ф. и др. В кн. Композиционные материалы. М.: Наука, 1981, с. 106-109

50. Weisinger M.D. Forming and Machining Aluminum-Boron Composites. -Metals Engineering Quarterly, 1971, v. 11, No 3, pp. 11-25

51. Мануйлов В.Ф., Смирнов В.И., Галкин В.И. Расчёты процессов деформации комопзиционных материалов. М.: Металлургия, 1992, 208с.

52. Parks I.M. The Welding Journal, N5, 1953

53. Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под ред. Н.Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981, 271с., ил.

54. Семёнов А.П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958, 280с.

55. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. -М.: Металлургия, 1982, 584с.

56. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твёрдой фазе. -М.:Мет. 1976, 264с.

57. Серебрянский В.Т., Эпельбаум В.А., Жданов Г.С. К диаграмме состояния системы алюминий бор. ДАН СССР, 1961, т. 141, №4, с.884-886.

58. Кемпбел Дж. Современная общая химия, т.1, 2. М.: Мир, 1975.

59. Полинг J1., Полинг П. Химия. / Под ред. М.А. Карапетьянц. Пер. с анг. -М.: Мир, 1978, 688с.

60. Светлов И.Л., Чубаров В.М., Лютцау В.Г. и др. О прочности композиции борное волокно алюминий. - Известия АН СССР. М.: Металлы, 1975, №1, с. 147-152.

61. Салибеков В.Е., Сахаров В.В., Романович И.В. Исследование ранних стадий процесса взаимодействия борных волокон с алюминием. -Металловедение и термическая обработка металлов, 1978, №10, с. 42-44.

62. Соколов А.В. Разработка и исследование процесса однопроходной прокатки листов из волокнистых композиционных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.: МАТИ, 1999, 22с.

63. Галкин В.И. Новые эффективные методы производства изделий из волокнистых композиционных материалов. М.: МАТИ, 1997, 68с.

64. Wilkening W.W., Backofen W.A. Deformation Processing of Anisotropic Materials. Final Report for Massachusetts Institute of Technology (Contract N 00019-70-C-0071), Cambridge, 1970

65. Bampton C.C., Graves J.A., Newell K.J., Lorenz R.H. Process Modeling for Titanium Aluminide Matrix Composite. Intermetallic Matrix Composites //D.B. Miracle, D.L. Anton and J.A. Graves; Materials Research Society, Vol. 273, 1992, pp. 365-376.

66. Шоршоров M.X., Колесниченко В.А., Юсупов P.C. Расчёт давления для горячего прессования волокнистых композиционных материалов. — Порошковая металлургия, №7, 1981, с. 61-65.

67. R.L. Goetz, W.R. Kerr, S.L. Semiatin. Modeling of the Consolidation of Continuous-Fiber Metal Matrix Composites via Foil-Fiber-Foil Techniques. -Journal of Materials Engineering and Performance. Vol. 2(3), June 1993, pp. 333-340.

68. Справочник металлиста. В 5-ти томах. Том 1. Изд. 3-е, перераб. Под ред. С.А. Чернавского и В.Ф. Рещикова. М.: «Машиностроение», 1976, 768с.

69. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

70. ANSYS, Inc. Theory Manual. Release 5.7. Изд. 12-е. Под ред. Peter Kohnke, Ph.D. SAS IP, Inc., 2001. 1266 с.

71. Теория пластических деформаций металлов. Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. -М.: Машиностроение, 1983, 598с., ил.

72. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. Пер. с англ. -М.:Мир, 1979. 392 с.

73. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 3. 2-е изд., испр. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982, 304 с.

74. Stuart В. Brown, Kwon H. Kim, and Lallit Anand. An Internal Variable Constitutive Model for Hot Working of Metals. International Journal of Plasticity, 1989, Vol. 5, pp. 95-130

75. Теория прокатки: Учебник для вузов. / Грудев А.П. М.: Металлургия, 1988, 240с.

76. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., исправленное - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат лит., 1986, 544с.

77. Машиностроение. Энциклопедия. /Ред. совет: К.В. Фролов и др. Том II1-6: Технология производства изделий из композиционных материалов, пластмасс, стекла и керамики /Под общ. ред. B.C. Боголюбова. -М.: Машиностроение, 2006, 576с. ил.

78. Деменков Н.П. SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП. Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004, 328с.