Исследование процесса обжима тонкостенных труб в производстве лейнеров газовых баллонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат наук Шишкин, Алексей Анатольевич

• Шишкин, Алексей Анатольевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Шишкин, Алексей Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. ОБЗОР СПОСОБОВ ОБЖИМА И СПОСОБОВ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

1.1. Применение и конструкции газовых баллонов высокого давления

1.2. Применение операции обжима и основные проблемы

1.3. Анализ существующих способов обжима трубных заготовок

1.4. Способы интенсификации процесса обжима

1.4.1. Силовая интенсификация

1.4.2. Термическая интенсификация

1.4.3. Интенсификация за счет применения высоких скоростей деформации

1.4.4. Обжим в режиме сверхпластичности

1.4.5. Косвенные методы интенсификации

1.5. Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния при обжиме

1.5.1. Инженерные методы расчета

1.5.2. Численные методы расчета

1.6. Методы расчета на устойчивость в окружном направлении при обжиме тонкостенных труб

1.7. Выводы. Цель и задачи исследования

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

2.1. Схема процесса обжима и постановка задачи

2.2. Математическая модель обжима

2.2.1. Расчет напряженно-деформированного состояния при обжиме

2.2.2. Механизм потери устойчивости в окружном направлении при обжиме по жесткой матрице

2.2.3. Математическая модель потери устойчивости от окружных сжимающих напряжений

2.2.4. Расчет на устойчивость при сжатии тонких полос на вогнутом цилиндрическом основании

2.3. Разработка методики инженерного расчета обжима особотонкостенных заготовок

2.4. Выводы

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

3.1. Условия проведения экспериментов

3.2. Исследование механических свойств материалов при сжатии

3.3. Исследование механизма потери устойчивости в окружном направлении при обжиме

3.4. Исследование процесса обжима трубных заготовок

3.4.1. Обжим осевым усилием, приложенным к торцу заготовки

3.4.2. Обжим особотонкостенных заготовок при помощи технологических вставок

3.5. Экспериментальные работы по изготовлению лейнера для газового баллона высокого давления

3.6. Технологические рекомендации

3.7. Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Список литературы

Приложение 1. Программа расчета процесса обжима по сферической матрице с

образованием цилиндрического участка с учетом термической

интенсификации «OBZH-SF.BAS» и результаты расчета

Приложение 2. Программа расчета процесса обжима по конической матрице с образованием цилиндрического участка с учетом термической интенсификации «OBZH-KON.BAS» и результаты расчета при а= 20°

Приложение 3. Программа по прогнозированию потери устойчивости в окружном направлении при обжиме тонкостенных заготовок «PU.BAS»

газового баллона с эллиптическими днищами

Приложение 5. Акт внедрения результатов диссертационной работы на ОАО «НПП

«Звезда» имени академика Г.И.Северина»

Приложение 6. Акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс в «МАТИ - РГТУ имени К.Э.Циолковского»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса обжима тонкостенных труб в производстве лейнеров газовых баллонов»

ВВЕДЕНИЕ

В изделиях авиационной и ракетно-космической техники широко используются газовые баллоны высокого давления, которые применяются в различных системах: пневматических, противопожарных, кислородных, высотно-компенсирующих. Так же в настоящее время разрабатываются катапультные системы для легких самолетов гражданской авиации, работающие на энергии сжатого газа, в качестве аккумуляторов энергии таких систем применяются баллоны высокого.

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. С появлением материалов, обладающих высокими модулем упругости и пределом прочности (углепластик, арамидное волокно), стало целесообразно применять их в составе силового слоя в сочетании с лейнером минимальной прочности, что позволяет максимально снизить массу конечного продукта.

Относительно суммарной трудоемкости изделий в авиа- и ракетостроении трудоемкость деталей изготовленных штамповкой составляет порядка 16 %, что в абсолютных значениях представляет существенную величину [1-4]. Технология изготовления деталей во многом определяет ресурс, трудоемкость, а так же себестоимость конечного изделия. В связи с ростом требований к экономическим и качественным характеристикам выпускаемой продукции совершенствование существующих технологических процессов, а также разработка новых технологий является важной задачей обработки металлов давлением.

Традиционные способы изготовления лейнеров баллонов высокого давления связаны с использованием операции сварки (обечайки, днищ и горловины), что существенно снижает качество и ресурсные характеристики баллонов, увеличивает их массу и трудоемкость изготовления. Применение операции обжима позволит изготавливать высокоресурсные цельноштампованные лейнеры высокого качества

из трубных заготовок или предварительно вытянутых стаканов, однако возможности обжима до конца не изучены.

Существующие технологические способы обжима позволяют успешно деформировать относительно толстостенные трубные заготовки. Процесс деформирования тонкостенных заготовок гораздо менее исследован, что порождает множество проблем в его практическом использовании. Наибольшую сложность при обжиме тонкостенных труб вызывает склонность к образованию продольных складок в очаге деформации. Существующие методы интенсификации позволяют частично решить данную проблему, но, как правило, требуют больших затрат на сложную оснастку и дополнительные исследования для успешного применения на практике.

Таким образом, применение известных методов обжима в производстве лейнеров баллонов высокого давления сдерживается следующими факторами:

1. Конструктивными особенностями баллонов (заданное распределение толщин, минимальная толщина стенки, специальная форма днищ);

2. Ограниченными возможностями обжима тонкостенных заготовок из-за потери устойчивости кромки заготовки в окружном направлении;

3. Неисследованностью процесса обжима на предмет возможности получения изделия с требуемым комплексом свойств.

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, до сих пор не существует единого представления о механизме данного явления.

В результате, применение операции обжима на каждой заготовке с новым типоразмером влечет за собой большое количество опытных работ по отработке технологического процесса. Этот факт указывает на необходимость дополнительных теоретических исследований данного процесса для разработки эффективных методик расчета основанных, в том числе, на численных методах расчета с применением ЭВМ.

Поэтому исследование процесса обжима, разработка новых технологических процессов и методик расчета технологических параметров для производства лейнеров являются актуальными.

Настоящая диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского», где были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретическом плане работа связана с совершенствованием методик расчета процесса обжима трубных заготовок при изготовлении лейнеров баллонов высокого давления, основанных на исследованиях российских и зарубежных ученых, таких как Ю.А. Аверкиев, Е.А. Попов, А.Г. Пашкевич, М.Н. Горбунов, М.В. Сторожев, О.В. Попов, В.И. Ершов и другие.

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, 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 «НПП «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 докладывались на следующих конференциях: Международная молодежная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения» (Секция № 5. 2010 год), Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» (Секция № 3.1. 2010 год), Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXV академические чтения (Секция № 19. 2011 год), Международная молодежная научная конференция «XXXVII Гагаринские чтения» (Секция № 5. 2011 год), Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXVI академические чтения (Секция № 19. 2012 год), Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» (Секция № 3.1. 2012 год).

Публикации. Основные результаты работы отражены в 12 публикациях, в том числе в 5 научных статьях, 3 из которых опубликованы в журналах рекомендованных ВАК, и 7 тезисах докладов на российских и международных научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, общих выводов, библиографии и материалов приложений.

В главе 1 работы дан обзор состояния вопроса, рассмотрены и проанализированы основные существующие способы обжима трубных заготовок и методы интенсификации данного процесса. Так же рассмотрены существующие способы расчета технологических параметров и предельных возможностей обжима.

Анализ существующих способов показал необходимость дополнительных исследований данного вопроса и позволил сформулировать цели и задачи исследования.

В главе 2 проведены теоретические исследования процесса обжима трубных заготовок. Разработаны математические модели для расчета напряженно-деформированного состояния и определения предельных возможностей обжима. Исследован механизм потери устойчивости кромки тонкостенной заготовки в окружном направлении при обжиме. Разработана методика инженерного расчета обжима особотонкостенных заготовок.

Проведены расчеты распределения толщин, напряжений и деформаций по образующей детали при обжиме, что позволяет моделировать процесс обжима тонкостенных заготовок.

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований. Дана методика проведения эксперимента, описаны оборудование, приборы и инструмент. Приведены результаты экспериментов по обжиму трубных заготовок различных типоразмеров, а также исследование механизма потери устойчивости в окружном направлении при обжиме. Дано сопоставление результатов опытных и теоретических работ.

Проведены опытные работы по изготовлению лейнеров газовых баллонов путем обжима концов трубных заготовок с последующей калибровкой формы днищ эластичной средой.

В материалах приложений приведены тексты программ и результаты расчетов процессов обжима трубных заготовок, расчетов на устойчивость и акты внедрения.

1. ОБЗОР СПОСОБОВ ОБЖИМА И СПОСОБОВ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

1.1. Применение и конструкции газовых баллонов высокого давления Применение баллонов высокого давления

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.

Рис. 1.1. Типовое распределение систем с баллонами высокого давления в самолете: 1 - пневматические системы; 2 - противопожарные системы; 3 -кислородные системы; 4 - средства аварийного покидания

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

4

1

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.

а) б) в)

Рис. 1.2. Основные конструкции существующих баллонов: а - баллон с обмоткой цилиндрической части; б, в - баллон с обмоткой всей поверхности; 1 - горловина; 2,4 - днища; 3 - обечайка; 5 - контур силовой

намотки; 6 - половинки лейнера

Лейнеры, изготовленные с использованием сварки, имеют ряд недостатков:

- высокая трудоемкость изготовления;

- невысокое качество лейнера;

- повышенная масса лейнера;

- пониженные ресурсные характеристики лейнера;

- пониженная стойкость лейнера к циклической нагрузке.

На рис. 1.3 приведено изображение одного из современных металло-полимерных баллонов в разрезе.

Рис. 1.3. Композитный баллон высокого давления со сварным лейнером

Металло-полимерные баллоны более безопасны в эксплуатации и имеют меньшую массу в сравнении с цельнометаллическими аналогами. С появлением оплеточных материалов, обладающих высоким модулем упругости, стало целесообразно применять тонкостенные бесшовные лейнеры из алюминиевых сплавов. В такой конструкции основную нагрузку принимает на себя обмотка баллона, а лейнер выполняет только функцию герметизации. Поэтому для наибольшего выигрыша в массе целесообразно использовать максимально тонкостенный лейнер, обычно толщина его стенок ограничивается только технологическими сложностями изготовления.

Из зарубежных источников [7-9] видно, что композитные баллоны широко применяются уже достаточно долгое время. Баллоны с алюминиевым лейнером выпускают такие фирмы как Armotech (Чехия), SCI (США), CLD (Китай), Luxfer (США), DYNETEC Industries (Канада) и др.

В ряде российских работ [10-12] предлагается изготавливать композитные баллоны высокого давления на основе цельноштампованных лейнеров из алюминиевых сплавов. Для образования горловин и днищ используется

ротационный обжим. Однако данный способ деформирования имеет высокую сложность при отработке технологических режимов при изготовлении лейнеров различных типоразмеров, а так же ограничивается потерей устойчивости при обжиме заготовок с относительной толщиной стенки менее 2-3 %.

Настоящая работа посвящена исследованию процесса обжима трубных заготовок для изготовления лейнеров баллонов высокого давления. Применение операции обжима позволит изготавливать цельноштампованные лейнеры из трубных заготовок или предварительно вытянутых стаканов. Данный способ имеет следующие преимущества перед традиционными способами:

- повышение качества лейнера за счет отсутствия сварных швов;

- снижение трудоемкости при изготовлении лейнера за счет уменьшения количества операций;

- повышение ресурсных характеристик;

- повышение стойкости к циклическим нагрузкам;

- снижение массы конечного изделия.

1.2. Применение операции обжима и основные проблемы

Обжим - операция листовой штамповки, связанная с уменьшением размера поперечного сечения части полой заготовки путем одновременного воздействия инструмента по ее периметру. В зависимости от направления нагрузки к оси заготовки обжим может осуществляться осевым усилием деформирования, радиальным усилием деформирования или их сочетанием.

Операция обжима труб широко используется в машиностроении при изготовлении различных элементов конструкций (рис. 1.4). Эта операция может использоваться для получения однослойных баллонов и лейнеров (герметичной оболочки) многослойных металло-полимерных баллонов высокого давления. Использование трубных заготовок даёт возможность получать обжимом цельноштампованные изделия, которые по сравнению со сварными обладают более высокими ресурсными характеристиками.

Рис. 1.4. Детали, изготовленные обжимом

В настоящее время обработан и находит широкое применение [14-17] процесс обжима осевым усилием по жесткой матрице толстостенных трубных заготовок с отношением толщины стенки к среднему диаметру s/D (относительная толщина) более 2...3 %. Характерной особенностью процесса является ограничение технологических возможностей потерей устойчивости заготовки в осевом направлении. Она проявляется в виде образование поперечного гофра в зоне передачи усилия (рис. 1.5 а).

Опытные работы [18, 19] показывают, что при обжиме тонкостенных заготовок (отношение толщены стенки к диаметру заготовки менее 2...3 %) основным ограничивающим фактором становится потеря устойчивости заготовки в окружном направлении, которая проявляется в виде образования продольного гофра на кромке заготовки в очаге деформации (рис. 1.5 б).

Помимо потери устойчивости ограничивающим фактором при обжиме является выворот (рис. 1.5 в). Данный дефект главным образом связан с геометрией образующей поверхности матрицы и может возникнуть при ее эллиптической форме. В общем случае вид дефекта в основном зависит от относительной толщины стенки заготовки, ее материала, условий закрепления в штампе и рабочей полости матрицы. Наилучшие условия обеспечиваются при обжиме в сферической матрице, т.к. при этом нет резкого перегиба на входе заготовки в очаг деформации, нет спрямления, а также за счет меридионального изгиба увеличиваются силы прижима заготовки к матрице, в связи с чем уменьшается склонность к образованию продольных складок по сравнению с коническими матрицами.

Рис. 1.5. Виды дефектов при обжиме: а) потеря устойчивости в осевом направлении; б) потеря устойчивости в окружном направлении; в) выворот

1.3. Анализ существующих способов обжима трубных заготовок

Один из наиболее распространенных способов обжима - обжим трубных заготовок осевым сжимающим усилием по жесткой матрице. При этом под действием усилия, прикладываемого к торцевой части трубы, заготовка проталкивается в рабочую полость матрицы и уменьшает поперечное сечение, повторяя геометрию рабочей поверхности матрицы (рис. 1.6).

При изготовлении деталей с дном, корпусов, лейнеров, стаканов, конусов применяется обжим в нестационарном очаге деформации (рис. 1.6 а - в), при изготовлении втулок, переходников, элементов трубопровода применяется обжим в стационарном очаге деформации (рис. 1.6 г - е) [20].

Данный способ обжима не требует сложной оснастки и специального оборудования, однако возможности формоизменения ограничены потерей устойчивости в осевом и окружном направлениях в зависимости от относительной толщины заготовки.

а)

М* Г: Ш

б)

Г) д) е)

Рис. 1.6. Классификация процессов обжима осевым усилием: а) - в конической матрице; б) - в матрице с криволинейной образующей; в) -с образованием дна; г) - с образованием ступенчатых деталей; д) - волочением; е)

с выворотом внутрь

Обжим радиальным усилием деформирования обычно осуществляется на токарно-давильных станках, при этом деформирование осуществляется локально, а очаг деформации перемещается по заготовке вдоль и поперек ее оси (ротационный обжим).

В работах [21-23] описан обжим трубных заготовок с использованием жесткого формующего инструмента (рис. 1.7). При таком способе обжима трубная заготовка устанавливается в патрон токарно-давильного станка, далее при вращении заготовки на нее подается формующий инструмент с помощью суппорта в радиальном или осевом направлении. Основным ограничивающим фактором, является потеря устойчивости в окружном направлении при деформировании

тонкостенных труб. К недостаткам данного способа относятся высокий износ формующего инструмента и невысокая производительность.

Рис. 1.7. Ротационный обжим по жесткому инструменту: 1 - шпиндель; 2 - заготовка; 3 - оправка; 4 - формующий инструмент;

5 - суппорт

При использовании вращающегося формующего инструмента [24] или применении в качестве формующего инструмента при ротационном обжиме набора профилированных роликов (рис. 1.8) пределы формоизменений увеличиваются, а износ инструмента уменьшается [25]. Однако данный способ также ограничивается окружной потерей устойчивости при деформировании тонкостенных труб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шишкин, Алексей Анатольевич, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы авиа- и ракетостроения: учеб. пособие для вузов / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, К.А. Макаров и др. - М.: Инфра-М, 2008. - 992 е.; ил.

2. Горбунов М.И. Основы технологии производства самолетов. - М.: Машиностроение, 1976. 260 с.

3. Эффективные технологии в производстве СУ-27 / Макарова Е.А., Иванов ЮЛ., Марьин Б.Н., Муравьев В.И. // Самолет, 1997, № 2. С. 36-37.

4. Братухин А.Г., Иванов Ю.Л., Макаров К.А., Марьин Б.Н. Современные технологии авиастроения. - М.: Машиностроение, 1999. 832 с.

5. Патент 2077682 РФ. Композитный газовый баллон высокого давления. Лукьянец С.В., Мороз Н.Г. Заявл. 29.04.1994. Опубл. 20.04.1997.

6. Патент 2432521 РФ. Металлокомпозитный баллон высокого давления. Заявл. 14.05.2009. Опубл. 27.10.2011.

7. High Pressure Aluminum Seamless and Aluminum Composite Hoop-Wrapped Cylinders / DEPARTMENT OF TRANSPORTATION, Research and Special Programs Administration, Notice No. 94-7, July 26, 1994.

8. Jinyang Zheng, Keshehg Ou, Zhengli Hua, Yongzhi Zao. Experimental and numerical studies on high-pressure composite cylinders subjected to localized and engulfing fire / Journal of pressure vessel technology, October 2013, Vol. 135.

9. Lifecycle Verification of Polymeric Storage Tank Liners URL:http://www.hydrogen.energy.gov, дата обращения 19.10.2013.

10. Juergen Bohse, Georg W. Mair, Pavel Novak. Acoustic emissio yesting of high-pressure composite cylinders / Juergen Bohse et al., 2006, Advanced Materials Research, February, 2006, 13-14, P. 267-272.

11. Патент 2175088 РФ. Сосуд давления и способ его изготовления (варианты). Каширин С.М. Заявл. 20.04.2000, Опубл. 20.10.2001.

12. Патент 2382919 РФ. Баллон высокого давления (варианты) и способ его изготовления (варианты). Клюнин О.С., Елкин Н.М. Заявл. 02.10.2007, Опубл. 27.02.2010.

13. Патент 2429930 РФ. Способ изготовления лейнера и лейнер из алюминиевого сплава. Осадчий Я.Г., Русинович Ю.И., Химин Г.В. и др. Заявл. 18.03.2010, Опубл. 27.09.2011

14. Горбунов М.Н. Штамповка деталей из трубчатых заготовок. Машгиз,

1960.

15. Аверкиев Ю.А. Об определении наибольшей степени деформации при обжиме пустотелых цилиндрических заготовок в конической матрице. «Кузнечно-штамповочное производство», 1966, № 11.

16. Фролов В.Н. Штамповка полых конических деталей из труб. Сб. Прогрессивная технология холодно-штамповочного производства, М., 1956.

17. Труды МАТИ, № 65. Машиностроение, 1965.

18. Пашкевич А.Г., Каширин М.Ф., Орехов A.B. Возможности формоизменения при обжиме и раздаче тонкостенных оболочек с внутренними элементами жёсткости. «Авиационная промышленность», 1977, № 5.

19. Пашкевич А.Г., Глазков В.И., Ершов В.И., Каширин М.Ф. Интенсификация процесса обжима полых цилиндрических заготовок. «Кузнечно-штамповочное производство», 1976, № 3.

20. Листовая штамповка. Расчет технологических параметров: Справочник / Ершов В.И., Попов О.В., Чумадин A.C. и др. М.: Изд-во МАИ, 1999 г. -516 с.

21. Патент 325074 СССР. Машина для обкатки горловин баллонов / В.Г. Капорович, Г.Е. Прихоженко, В.Г. Дерновой, Д.Г. Щетина, H.H. Шуляков, В.Н. Шуляков. Заявл. 31.08.1970 Опубл. 07.01.1972 Бюллетень № 3.

22. Патент 339337 СССР. Устройство для изготовления горловин баллонов из тонкостенных труб / Е.А. Близнюков. Заявл. 15.09.1967 Опубл. 24.05.1972 Бюллетень № 17.

23. Патент 252279 СССР. Устройство обкатки трубчатых заготовок / В.Г. Капорович. Заявл. 22.08.1968 Опубл. 22.09.1969 Бюллетень № 29.

24. Патент 1792774 РФ. Устройство для изготовления горловин баллонов / Коган Б.Я., Губин А.И., Маренков Е.А. Заявл. 23.05.1991 Опубл. 07.02.1993.

25. Патент на полезную модель 68385 РФ. Устройство для обжима конца трубы / Прохоров А.Г., Марьин С.Б., Бойко В.М. Заявл. 09.01.2007 Опубл. 27.11.2007.

26. Литвинов В.М. Разработка и исследование высокоэффективных процессов деформирования обжимом тонкостенных трубных заготовок: Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук: 05.03.05/ Комсомольск-на-Амуре гос. техн. ун-т, 2004 г. - 140 с.

27. Патент 2104111 РФ. Способ деформирования концевого участка трубы и устройство для его использования / Чумадин A.C., Бур штейн Н.М., Архипов В.Н. Заявл. 17.11.1997 Опубл. 10.02.1998.

28. Патент 2093290 РФ. Ротационно-давильный станок "НИКПОС-Г / Чумадин A.C., Бурштейн Н.М., Архипов В.Н. Заявл. 28.09.1995 Опубл. 20.10.1997.

29. Ракошиц Г.С. Электроимпульсная штамповка. М.: Высш. шк., 1984. -

192 с.

30. В.М. Сапожников, Б.Н. Марьин, ЮЛ. Иванов. Интенсификация технологических процессов формообразования деталей из трубных заготовок - М.: Машиностроение, 1995. - 176 с.

31. Шишкин A.A. Методы предотвращения потери устойчивости при обжиме тонкостенных труб // КШП. ОМД. Сборник трудов к 70-летию кафедры «Технология производства летательных аппаратов», Москва 2010 г.

32. Горбунов М.Н., Пашкевич А.Г., Каширин М.Ф., Орехов A.B. Предотвращение гофрообразования при обжиме тонкостенных цилиндрических оболочек. «Кузнечно-штамповочное производство», 1977, № 1.

33. Патент 566663 СССР. Штамп для обжима тонкостенных оболочек. Пашкевич. А.Г., Каширин М.Ф., Орехов A.B., Горбунов М.Н. Заявл 06.02.1976 Опубл. 30.07.1977.

34. Патент 591254 СССР. Способ изготовления полых деталей. Пашкевич. А.Г., Глазков В.И., Орехов A.B., Савченко E.H. Заявл 24.06.1976 Опубл. 05.02.1978.

^ 35. Патент 52492 СССР. Штамп для обжима тонкостенных оболочек.

Пашкевич. А.Г., Орехов A.B. Заявл 20.08.1976 Опубл. 16.02.1978.

36. Патент 510296 СССР. Штамп для обжима полых заготовок. Пашкевич. А.Г., Каширин М.Ф., Орехов A.B. Заявл 02.12.1974 Опубл. 15.04.1976.

37. Патент 513770 СССР. Способ обжима тонкостенных цилиндрических обечаек. Пашкевич А.Г., Каширин М.Ф., Орехов A.B. Заявл. 01.04.1975 Опубл. 15.05.1976 1976, Бюллетень № 18.

38. Аверкиев Ю.А. Технология холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

39. Крымский И.И. Горячая штамповка (технология и оборудование). М.: Трудрезервиздат, 1958.-256с.

40. Патент 2263001 РФ. Способ формования полого тела переменного сечения, способ изготовления металлического лейнера высокого давления и устройство для формования полого тела переменного сечения. Клюнин О.С. Заявл. 17.07.2003, Опубл. 27.10.2005.

41. Анучин М.А. Штамповка взрывом. Основы теории. М.: Машиностроение, 1972.

42. Холодная листовая штамповка: учебное пособие / В.А. Беляев; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2008. - 128 с.

43. Степанов М.В., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. JI. Машиностроение, 1975. - 275 с.

44. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. В изд. JI. Машиностроение, 1979. - 519 с.

45. Чумаченко E.H., Смирнов О.М., Цепин М.А. Сверхпластичность: материалы, теория, технология./ Предисл. Г.Г. Малинецкого-.М.: КомКнига, 2005.-320с.

46. Смирнов О.М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение. 1979. - 184 с.

47. Пашкевич А.Г. Математическая модель листовой штамповки деталей в условиях сверхпластичности. Кузнечно-штамповочное производство. 1989. № 9, 12-15 с.

48. Попов O.B. Изготовление цельноштампованных тонкостенных деталей переменного сечения. М.: Машиностроение, 1974 - 120 с.

49. Кривошеин В. А. Теоретический расчет силы при обжиме в профилированной матрице // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание, № 9 сентябрь 2011 г.

50. Патент 2333814 РФ. Устройство обжима оконечностей трубной заготовки в горловины сосуда давления. Суворин В.К. Заявл. 07.11.2006 Опубл. 20.09.2008.

51. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки: Учеб. пособие для вузов. - Машиностроение, 1977.

52. Ильюшин A.A. Обжатие труб // Инженерный сборник АН СССР. 1941. Т. 1. Вып. 1.

53. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1977.

54. Ильюшин A.A. Пластичность. - М.: ГИТТЛ, 1948.

55. Аверкиев Ю.А. Исследование обжима полых цилиндрических заготовок // Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением / М.: Машгиз, 1957.

56. Теория пластических деформаций металлов / Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова - М.: Машиностроение, 1983.

57. Пашкевич А.Г., Каширин М.Ф., Орехов A.B. Безмоментная осесимметричная деформация тонкостенных цилиндрических оболочек // ИВУЗ. Авиационная техника. 1979. № 2.

58. Аверкиев Ю.А. Анализ обжима полых цилиндрических заготовок конической матрицей // Машины и технология обработки металлов давлением: Сб./МВТУ. 1955. №42.

59. Попов Е.А. Элементы анализа операции обжима // Машины и технология обработки металлов давлением: Труды МВТУ. 1955.

60. Капорович В.Г. Обкатка металлоизделий в производстве. - М.: Машиностроение, 1973.

61. Пашкевич А.Г. Изменение толщины стенки при обжиме полых цилиндрических заготовок // Новое в технологии штамповки: Сборник статей под. ред. М.Н. Горбунова. Труды института. Вып. 65. - М.: Машиностроение, 1966, с. 25-47.

62. Ершов В.И., Чумадин A.C. Математическое моделирование процессов осесимметричного деформирования листовой штамповки: Учеб. пособие. - М.: МФТИ, 1988. 47 с.

63. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир,1975.541

с.

64. Стренг К., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.349 с.

65. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.392 с.

66. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир,1986.318 с.

67. Воронцов А.Л. О корректном построении и проверке теоретических моделей процессов обработки металлов давлением // КШП. ОМД. 2011. № 6. С. 38.

68. Пашкевич А.Г., Орехов A.B. Гофрообразование при обжиме тонкостенных оболочек осевым усилием деформирования // ИВУЗ. Машиностроение. 1979. № 10.

69. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. Гостехиздат, 1955.

70. Сопротивление деформации и пластичность алюминиевых сплавов. Справочник. Микляев П.Г., Дуденков В.М. М., «Металлургия», 1979. 183 с.

71. Чумадин A.C. Методы построения и аппроксимации кривых упрочнения металлов и сплавов: Учеб. пособие. - М.: «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2001. - 43 с.

72. Авиационные материалы. Том 4. Алюминиевые и бериллиевые сплавы / Научные редакторы тома докт. техн. наук С.И. Кишкина, чл.-кор. АН СССР И.Н. Фридляндер, ОНТИ- 1982.

73. Бреславский Д.В. Марочник стали и сплавов. - URL: http://www.splav.kharkov.com. Дата обращения 31.05.2012.

74. Трение и смазки при обработке металлов давлением. А.П. Грудев, Ю.В. Зильберг, В.Т. Тилик. Справ, изд. -М.: Металлургия, 1982, с. 312.

75. Ал футов H.A. Основы расчета на устойчивость упругих систем. -М.: Машиностроение, 1978. - 312 с.

76. Ершов В.И., Чумадин A.C., Башилов A.C., Ковалев В.В. Потеря устойчивости при расширении круглого отверстия в тонкой пластине. Известия вузов. Авиационная техника. №2, 1989, стр. 51-55.

77. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1972. -544 с.

78. Руцкий Д.В., Жульев С.И., Титов К.Е., Гаманюк С.Б., Горунов А.И., Шелухина Ю.М. Неоднородность механических свойств в длинномерных изделиях машиностроения. Волгоградский государственный технический университет, том 10, №2, 2008, стр. 138-141.

79. Курлаев Н.В. Уменьшение дефектов сплошности в материалах штампуемых авиационных деталей / Н.В. Курлаев, А.И. Гулидов, H.A. Рынгач, К.Н. Бобин // Авиационная промышленность. - 2009. - №2. - С. 42-46.

80. Кроха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. -М: Машиностроение, 1968. - 132 с.

81. Панин В.Е, Егорушкин В.Е., Панин A.B., Моисеенко Д.Д. Природа локализации пластической деформации твердых тел. Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 8, стр. 62-69.

82. Чумадин A.C., Ершов В.И., Шишкин A.A. Механизм потери устойчивости при обжиме кольца / Научные труды. Вып. 17 (89). - М.: МАТИ, 2012.-С. 182-186.

83. Marciniak Z., Kuczynski К. Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal. - "International Journal of Mechanical Science", Vol. 9, 1967. P. 609-620.

84. Соколов JI.H., Савицкий В.В., Ефимов В.Н., Катая В.К., Мосьпан Р.Б. О закономерностях упрочнения - разупрочнения алюминиевых сплавов / Металлы, №2, 1987.-С. 137-143.

85. Смирнов А.И. Сопоставление истинных кривых деформирования тонколистовых материалов при различных схемах напряженного состояния / Известия вузов. Машиностроение, № 10, 1971. - 141-143.

86. Аверкиев А.Ю. Методы оценки штампуемости листового металла. -М.: Машинострение, 1985. - 176 е., ил.

87. Гневашев Д.А, Петров П.А., Стебунов С.А. Выбор аппроксимации кривых упрочнения сталей и сплавов при больших степенях деформации // КШП. ОМД. 2005. № 6. С. 8-10.

88. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, H.A. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990.-688 с.

89. ГОСТ Р 53258-2009. Баллоны малолитражные для аппаратов дыхательных и самоспасателей со сжатым воздухом. Общие технические требования. Методы испытаний. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2010 - 11 с.

90. ГОСТ Р 51753-2001. Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах, общие технические условия. - М.: Госстандарт России, 2001 -20 с.

91. ГОСТ ИСО 11439-2010. Газовые баллоны. Баллоны высокого давления для хранения на транспортном средстве природного газа как топлива. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2010 - 172 с.

92. ISO 11119-3:2002. INTERNATIONAE STANDARD. Gas cylinders of composite construction - Specification and test method International Organization for Standardization. Part 3: Fully wrapped fibre reinforced composite gas cylinders with non-load-sharing metallic or non-metallic liners. 2002 - P. 42.

93. HSE-AL-FW2. Specification for fully-wrapped carbon composite containers. Issue 5, January 2002 - P. 35.