Повышение эффективности технологических процессов формообразования трубных заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, доктор наук Хейн Вин Зо

• Хейн Вин Зо
• доктор наук
• 2016

Оглавление диссертации доктор наук Хейн Вин Зо

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

ПРОЦЕССОВ ФОРМООБАРЗОВАНИЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

1.1. Анализ изготовления деталей летательных аппаратов

методом формообразования ТЗ

1.2. Определяющие факторы процесса формообразования ТЗ

1.3. Влияние гидростатического давления

1.4. Исследование влияния электроимпульсной обработки ЭИО

на диаграмму о- е

1.5. Анализ предельных возможностей процесса гибки-раздачи по конусообразному сердечнику

1.6. Анализ способов ротационного локального деформирования

1.7. Анализ способов формообразования ТЗ эластичными

и сыпучими средами

1.8. Выводы

Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

2.1. Формообразование трубных заготовок по жесткому пуансону

2.1.1. Инженерная постановка задачи

2.1.2. Математическая постановка задачи

2.1.3. Численное решение задачи

2.1.4. Алгоритм решения для уравнений

2.1.5. Алгоритм решения задачи

2.2. Математическое моделирование процессов ротационного обжима и раскатки

2.2.1. Исходные уравнения

2.2.2. Математическое моделирование процесса раскатки ТЗ

2.2.3. Математическое моделирование процесса ротационного обжима ТЗ

2.2.4. Расчет контактных давлений при симметричной

ротационной раскатке ТЗ

2.3. Математическое моделирование процесса формообразования

ТЗ посредством сыпучих тел

2.3.1. Моделирование поведения сыпучей гранулированной среды в процессе нагружения

2.3.2. Алгоритм расчета давления сыпучих наполнителей на стенки ТЗ

2.4. Выводы

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗДАЧИ КОНЦОВ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

3.1. Исследование процессов формоизменения ТЗ по жестким пуансонам

3.1.1. Разработка реологических моделей материалов формоизменяемых ТЗ

3.1.2. Исследование влияния геометрии пуансона на процесс формоизменения

3.2. Исследование процессов формоизменение ТЗ при раскатке и ротационном обжиме

3.2.1. Методы расчета напряженно-деформированного состояния

3.2.2. Расчеты ротационной вытяжки

3.2.3. Расчет НДС по теории продольной прокатки

3.3. Исследование процессов формоизменение ТЗ с использованием эластичной и сыпучей среды

3.3.1. Исследование энергосиловых и кинематических характеристик пластического течения ТЗ и эластичной среды

3.3.2. Исследование процесса выдавливания пластического наполнителя

3.3.3. Исследование деформирования ТЗ с учетом гипотезы о

плоской деформации

3.4. Выводы

Глава 4. КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТОНКОСТЕННЫХ ТЗ

4.1. Задачи и содержание проведения экспериментальных исследований процесса формообразования ТЗ по жесткому пуансону

4.1.2. Выбор оборудования

4.1.3. Исследование деформаций делительной сетки

4.1.4. Сравнительный анализ усилия формообразования при различных способах деформирования ТЗ

4.1.5. Исследование геометрических размеров патрубков

4.1.6. Металлографическое исследование

4.1.7. Физико-механические испытания

4.1.8. Испытания на вибропрочность

4.1.9. Испытания на прочность и герметичность

4.1.10. Влияние электротермического воздействия на свойства деталей из титановых сплавов

4.2. Экспериментальные исследования процессов раскатки

и ротационного обжима трубных заготовок

4.2.1. Экспериментальные исследования по раскатке труб

4.2.2. Экспериментальные исследования процесса ротационного обжима концевых участков труб

4.2.3. Механические свойства материалов

4.2.4. Особенности процесса раскатки

4.2.5. Определение момента внешних сил

4.2.6. Раскатка с помощью давильного кольца

4.2.7. Исследование структурных изменений при

пластической деформации в процессе раскатки и обжима

4.3. Исследование формообразования ТЗ эластичными и сыпучими средами

4.3.1. Задачи и содержание экспериментальных исследований

4.3.2. Подбор нагревательного оборудования

4.3.3. Способы замера температуры при дифференцированной термической интенсификации процесса формообразования

4.3.4. Силовые устройства для деформирования ТЗ

4.3.5. Выбор смазки, подготовка ТЗ к деформированию

4.3.6. Исследование качественных показателей деталей, изготовленных с помощью эластичных и сыпучих тел

4.3.7. Исследование микроструктуры материала изделий, выполненных формообразованием с использованием эластично-сыпучих тел

4.3.8. Испытания на прочность, вибропрочность и герметичность

4.4. Выводы

Глава 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ

ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

5.1. Понятие технологичности

5.2. Рекомендации по выбору оптимальной схемы

формообразования ТЗ

5.2.1. Рекомендации по выбору рациональной схемы формообразования концов ТЗ при помощи сборно-разборного пуансона

5.2.2. Рекомендации по выбору рациональной схемы гибки-раздачи труб

5.2.3. Рекомендуемая методика проектирования рогообразных сердечников

5.2.4. Рекомендации по подготовке готовых деталей к

соединению

5.3. Рекомендации по использованию специализированных программных комплексов для моделирования процессов формоизменения ТЗ

5.3.1. Рекомендации по моделированию формообразования тройников с использованием эластичной среды

5.3.2. Рекомендации по моделированию формообразования концов ТЗ с применением эластосыпучей среды

5.4. Рекомендации к выбору рациональных схем при ротационном обжиме и раскатке ТЗ

5.4.1. Рекомендации к определению контактных давлений с учетом диаметров оправок

5.4.2. Рекомендации к определению крутящих моментов

5.4.3. Рекомендации для определения работы сил контактного трения

5.5 Общие рекомендации по изготовлению деталей из ТЗ

5.6. Рекомендации по использованию мощных импульсов тока (ОМИТ) при деформировании ТЗ из титановых сплавов

5.6.1. Установка воздействия ОМИТ за зону деформации

5.6.2. Рекомендации по расчету энергии, поступающей в ТЗ за один период сети переменного тока

5.6.3. Рекомендации по расчету длительности импульсов тока

5.6.4. Рекомендации по определению физического подобия ТЗ и эквивалентных им образцов, с учетом электрических

параметров

5.6.5 Рекомендации по определению энергетических режимов

ОМИТ

5.6.6. Рекомендации по определению мощности источника питания (трансформатора)

5.7. Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности технологических процессов формообразования трубных заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов»

ВВЕДЕНИЕ

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.

Листовая штамповка имеет целый ряд преимуществ, к которым относятся: относительно невысокая трудоемкость изготовления изделий, и, как следствие, их малая себестоимость; большая производительность при сравнительно небольших потерях материала заготовки; высокий коэффициент использования материала. Также к преимуществам относятся благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов. Тем не менее, имеются и недостатки, к которым можно отнести достаточно весомую долю ручных и доводочных работ.

Не менее важной проблемой современного производства летательных аппаратов, является увеличение производительности труда, повышение эффективности производства и качества конечного продукта за счет повышения эффективности существующих и разработки новых технологических процессов. Это в комплексе призвано снизить материалоемкость конструкции при одновременном увеличении жесткости и удельной прочности, расширить применение при производстве деталей летательных аппаратов из высокопрочных, труднодеформируемых материалов. Все это должно 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%.

Решение проблемы повышения качества изделия возможно только путем повышения эффективности производства за счет разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов. Это, в свою очередь, требует совершенствования существующих расчетных методов, для получения данных о внутренних напряжений и деформациях, возникающих в процессе формоизменения заготовок.

Особое внимание уделяется изготовлению трубопроводов летательных аппаратов. По причине разрушений трубопроводов летательных аппаратов наблюдается большое количество отказов, поскольку трубопроводы работают в сложных условиях комплексного нагружения: перепады давления, пульсирующая нагрузка, большой диапазон температур, гидравлические удары. По причинам разрушения трубопроводов летательных аппаратов происходит до 15-20% всех аварий и катастроф (см. рис. 1).

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

Рис. I Доля аварий и катастроф по вине внутренней поверхности,

разрушения трубопровода 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 (см. рис 2,3).

м ■

Рис. 2. Объем производства трубопроводов в общем объеме холоднодеформируемых деталей ЛА

Рис.3. Трудоемкость изготовления

трубопроводов в общем объеме трудоемкости изготовления деталей планера ЛА

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, задачи разработки новых принципиальных способов изготовления труб из алюминиевых, стальных, титановых трубных заготовок (ТЗ), а также повышения эффективности существующих способов становится весьма актуальной задачей.

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, приведены рекомендации по интенсификации технологических процессов формообразования трубных заготовок. С учетом влияния на параметры технологического процесса степень деформации ТЗ увеличилась в два раза за один переход, при этом повысилась точность изготовления и качество поверхностей внутренней и внешней стороны стенки. При этом трудоемкость и себестоимость изготовления практически не изменились, улучшились физико-механические характеристики, увеличился ресурс деталей.

Разработанные методы и средства формообразования ТЗ, управления процессом пластической деформации приводят к снижению производственных издержек при освоении производства новых деталей из труднодеформируемых сплавов, способны снизить общий объем ручных доводочных работ.

Диссертационная работа была выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «Московский авиационно-технологический институт - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского». Часть работ была проведена на базе ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет» на кафедрах «Технология самолетостроения», «Машиностроение и металлургия».

Теоретическими и практическими вопросами исследования напряженно-деформированного состояния материалов при пластическом деформировании занимались многие российские и зарубежные ученые: A.C. Чумадин, Р.И. Тавасшерна, В.И. Ершов, М.Н. Горбунов, М.В. Сторожев, Е.А. Попов, В.Б. Юдаев, Г.А. Смирнов-Аляев, H.H. Малинина, A.A. Ильюшин, Е.И. Исаченков, А.Г. Овчинников, А.И. Целиков, Н.И. Могильный, А.Д. Матвеев, О.В. Попов, Б.Н. Марьин, С.И. Феоктистов, Ю.Н. Алексеев, В.И. Глазков, В.Г. Кононенко, Л.Г. Юдин, С.П. Яковлев, С. Колпакчиогли, Ш. Кобаяси, Э. Томсен и др.

Несмотря на высокую значимость для теории, практики и производства работ, проведенных вышеуказанными учеными, решение проблем формовки, при сложных схемах формообразования труднодеформируемых ТЗ, еще далека от завершения. Анализ работ показал, что необходимо продолжение исследований в направлении интенсификации процессов деформирования ТЗ, а также в направлении разработки новых способов деформирования.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности существующих технологических процессов формообразования и освоение новых технологий формообразования ТЗ для обеспечения технологичности и высокого качества деталей ЛА.

Для достижения цели работы были сформулированы и решались следующие задачи:

- разработана математическая модель процесса формообразования деталей гидрогазовых систем ЛА для задач осесимметричного и асимметричного деформирования с нагревом и без нагрева;

- разработаны и исследованы новые способы 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)

- проведены исследования и разработана математическая модель процессов формообразования деталей гидрогазовых систем ЛА с применением жестких пуансонов, с учетом одновременного воздействия термической и силовой составляющей интенсификации технологического процесса;

- проведены исследования и разработана численная модель процесса обжима и раздачи ТЗ с использованием эластичных и эластосыпучих сред;

- проведены исследования локальной деформации при раскатке и ротационном обжиме труб, разработана математическая модель процесса раскатки и ротационного обжима трубных деталей гидрогазовых систем ЛА на основе энергетического метода баланса работ;

- разработаны качественные и количественные характеристики оптимального технологического процесса формообразования деталей из ТЗ;

- приведены рекомендации по выбору схемы деформирования и проектированию оснастки для производства деталей гидрогазовых систем ЛА;

- рассмотрены перспективные способы формообразования ТЗ с применением мощных импульсов токов.

- проведены экспериментальные металлографические и прочностные исследования, подтверждающие адекватность разработанных моделей.

В диссертационной работы были использованы следующие методы исследования:

- численное моделирование процессов обжима и раздачи ТЗ 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 ТЗ;

- экспериментальные металлографические исследования натурных образов изделий на макро-и микроструктуры;

- испытания образов 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 ТЗ по жесткому пуансону с учетом влияния определяющих факторов процесса, с учетом сил трения, упрочнения материала ТЗ в процессе деформации, силовой и термической составляющих процесса;

- разработана математическая модель процесса формообразования деталей гидрогазовых систем ЛА из ТЗ с использованием эластичных и эластосыпучих сред, проведено конечно-элементное моделирование, выявлены предельные возможности 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 ТЗ в результате обработки в несколько переходов, проведено конечно-элементное моделирование процесса ротационного обжима и раздачи трубных заготовок;

- проведен комплекс экспериментальных исследований характеристик изделий трубопроводов ЛА из алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, титановых сплавов на различные виды нагружений, в результате чего разработан комплекс рекомендаций по силовой и температурной интенсификации.

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 ТЗ с учетом интенсифицирующих факторов, оригинальные конструкции технологической оснастки, новы методы и способы формообразования концевых участков трубных заготовок;

- получены численные аналитические 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 ТЗ;

- 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;

- на основе металлографических исследований формоизмененных трубных заготовок получены микро-и макроструктурные данные, на основании которых сделаны выводы о предельно допустимых стадиях процессов формообразования деталей JIA из ТЗ.

В конечном итоге проведенные исследования позволяют в значительной степени сократить затраты на технологическую переподготовку производства, снизить себестоимость освоения новых изделий.

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, е-mail: aerovol ga. 63 @mail. ru) при разработке трубных полуфабрикатов, позволяющие повысить качество изготавливаемых деталей, определить рациональны 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 ОАО «Корпорация «Иркут» (125315, Москва, Ленинградский проспект, д.68, e-mail: [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:

1. Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXIV академические чтения. Секция № 19. МГТУ им. Н.Э. Баумана (2010 г.);

2. Международная молодежная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения». Секция № 5. МАТИ им. К.Э. Циолковского (2011 г.);

3. Международная молодежная научная конференция «XXXVII Гагаринские чтения». Секция № 5. МАТИ им. К.Э. Циолковского (2012 г.);

4. Пятая международная конференция "Распределённые вычисления и Грид-технологии в науке и образовании" Лаборатория информационных технологий ОИЯИ (2012 г.);

5. Международная молодежная научная конференция «XXXVIII Гагаринские чтения». Секция № 5. МАТИ им. К.Э. Циолковского (2013 г.);

6. V Международная научная конференция «Наука и образование в современной России» Министерство образования и науки РФ (2013 г.);

7. Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXIII академические чтения. Секция № 19. МГТУ им. Н.Э. Баумана (2013 г.);

8. Международная научная конференция «Современные проблемы науки и образования» Министерство образования и науки РФ 25-27 февраля 2014г.

9. Международная научная конференция «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» Италия (Рим) 12-19 апреля 2014 г.

10. Международная научная конференция «Современные наукоемкие технологии» Израиль 25 апреля - 2 мая 2014г.

11. Актуальные вопросы науки и образования. Министерство образования и науки РФ 20-23 мая 2014 г.

12. III Московская конференция по международной безопасности. Министерство обороны РФ 23-24 мая 2014г.

13. Международная научно-техническая конференция «Энергоэффективность-2014». Минск, Беларусь, 14-16 октября 2014 г.

14. 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.

Публикации. Основное содержание диссертации раскрыто в 28 научных трудах, в том числе в 17 статьях, опубликованных в журналах рекомендуемого ВАК перечня.

Личный вклад. Все основные положения диссертации, теоретические исследования, моделирование, экспериментальные работы, составление программно-расчетных комплексов выполнены лично соискателем.

Структура диссертации. Представленная работа включает в себя введение, шесть глав, общие выводы по работе, список использованных источников и приложения. Диссертация содержит 389 страниц основного текста, 259 рисунков, 70 таблиц, двух приложений.

В первой главе рассмотрено современное состояние исследований в области формообразования ТЗ. Приведена классификация ТЗ, по результатам которой были сделаны выводы, что элементы трубопроводов пневмогидросистем ЛА состоят из деталей типа переходник, тройник, фитинг, фланец, законцовка, муфта. По форме патрубки могут быть прямыми, крутоизгонутыми. Диаметры патрубков лежат в диапазоне 6... 100 мм, при этом радиусы гиба достигают предельных значений, равных 0,5 диаметра патрубка. Соотношения диаметров, при резком переходе от одного диаметра к другому могут достигать соотношения 2:1. Толщина стенок трубных заготовок 0,5... 2,5 мм.

Проведен анализ существующих технологических процессов производства осесимметричных и асимметричных деталей методом обжима и раздачи. Рассмотрено оборудование и технологическое оснащение для обжима и раздачи трубных заготовок, проведен обзор средств моделирования процессов обжима и раздачи трубных заготовок, а также обзор теоретических исследований процессов обжима и раздачи осесимметричных и

неосесимметричных деталей. Рассмотрены определяющие факторы процесса раздачи, проведен анализ факторов, влияющих на предельные возможности процесса. Рассмотрены основные пути интенсификации процесса обжима.

Проведенный анализ процессов формообразования трубных заготовок при помощи эластичных и сыпучих тел позволил выявить основные характеристики, которые определяют данный процесс, определить номенклатуру материалов трубных заготовок и их физико-механические характеристики, сделать вывод о возможности применения температурной интенсификации процесса.

На основании анализа современного состояния дела сделаны выводы о решении теоретических и практических задач при производстве элементов пневмогидросистем ЛА, поставлены задачи.

Во второй главе приведено построение математической модели процесса формообразования законцовок ТЗ. Математическая модель построения на основе, предложенного В.И. Одиноковым, бескоординатного метода решения уравнения пластического течения. Приведена инженерная и математическая постановка задачи. На основе численной схемы решения задачи разработан алгоритм решения уравнения. Приведен алгоритм решения задачи. Проведены исследования процесса асимметричного обжима.

Разработана математическая модель технологических процессов ротационного обжима и раздачи, основывающаяся на исходных уравнениях работ от внешних и внутренних сил, сил трения, интенсивности деформации, интенсивности напряжений, условие пластичности, уравнения равновесия. На основе модели был создан алгоритм кинематической модели процесса раскатки с учетом динамической схемы процесса пластической деформации и составлена компьютерная программа процесса на языке Си++. Разработана математическая модель расчета контактных давлений при симметричной ротационной раскатке трубных заготовок.

Разработана математическая модель поведения сыпучей гранулированной среды в процессе нагружения, на основе которой разработан алгоритм определения констант модели для сыпучих гранулированных материалов. Разработан алгоритм расчета давления сыпучих наполнителей на стенки трубных заготовок.

В третьей главе исследованы процессы раздачи концов трубных заготовок при различных способах деформирования. Построены реологические модели деформируемого металла. Рассмотрены следующие способы деформирования:

- гибка-раздача по жесткому наборному пуансону;

- обжим и раздача по жесткому пуансону;

- ротационный обжим и раздача;

- обжим и раздача при помощи эластичных и эластосыпучих сред;

Приведены приближенные решения по определению полей

напряженно-деформированного состояния материала деталей ТЗ. Рассмотрены условия получения равнотолщинных деталей без потери устойчивости материала. Исследованы предельные возможности процесса деформирования.

На основе проведенных исследований, была предложена математическая модель оценки исследования процесса формообразования концевых участков ТЗ с использованием метода ротационного обжима, которая позволяет автоматизировать отдельные этапы новых производственных процессов, связанных с силовыми параметрами подачи заготовок по оси и радиальных усилий, развиваемых на роликах. Были предложены методы оценки НДС в случае ротационной вытяжки и продольной прокатки

В четвертой главе приведены качественные и количественные характеристики рационального технологического процесса формообразования деталей из ТЗ в зависимости от смазки, покрытий, схемы нагрева и др. Поведена постановка задач экспериментальных исследований.

Проводился следующий комплекс работ по экспериментальному подтверждению соответствия теоретическим разработкам:

- выбор оборудования и технологической оснастки;

- экспериментальные исследования процессов раскатки и ротационного обжима трубных заготовок;

- экспериментальные исследования процессов формообразования при помощи жестких матриц;

- экспериментальные исследования процессов формообразования при помощи эластичных и эластосыпучих сред;

исследование физико-механических характеристик элементов пневмогидросистем;

исследование макро-и микроструктуры на основе металлографических исследований с рекомендациями по предельным возможностям процессов;

испытания на прочность, герметичность, вибропрочность, исследование предельных возможностей процессов;

Были проведены исследования локальной деформации при раскатке и ротационном обжиме труб. Проведен обзор способов изготовления деталей летательных аппаратов локального ротационного деформирования, Расчет напряженно-деформированного состояния при раскатке и ротационном обжиме труб. Разработана теоретическая часть исследования процессов. В результате были выявлены зависимости распределения контактных давлений от режимов обработки при различных соотношениях а/ц; $/2, А$/2 и размре Яр. Установлено что возможности ротационного обжима труб в 1,2-1,5 раза повышают 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.

Были определены задачи и содержание исследований процесса формообразования эластичными и сыпучими средами, исходя из которых

был произведен выбор технологического оборудования. Получены качественные показатели деталей, изготовленных с помощью эластичных и сыпучих тел и сделан вывод о влиянии местного нагрева, конструкции пуансона, подобранной смазки и подготовленной к деформации ТЗ на качественные составляющие процесса. Был получен анализ микроструктуры образцов и проведены прочностные испытания, показавшие повышение качества готового изделия.

В пятой главе, на основе обобщения результатов проведенной работы приведены рекомендации по проведению проектно-конструкторских работ с учетом обеспечения технологичности проектируемых деталей, рекомендации по выбору схем деформирования и проектирования технологической оснастки. Даны рекомендации по расчету процессов обжима и раздачи, а так же рекомендации для конечно-элементного моделирования. Приведены алгоритмы расчета параметров технологического процесса а также перспективные схемы изготовления деталей гидрогазовых систем.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Хейн Вин Зо, 2016 год

/ ✓

$ ¿у

/

Относительный текущий радиус детали, г / (30 (коэффициент раздачи Кр)

Рис. 4.19. Распределение деформаций при раздаче с нагревом (ТЗ, диаметр 32 мм, толщина стенки 1,0 мм, материал АМгЗМ, Кр = 0, 46)

На диаграмме (рис. 4.20) показана зависимость распределения толщины стенки от коэффициента раздачи Кр.

о

СП

а

Ь

Г)

Л т

3"

с

□

с

р

О

0

1 I-

О

1,12 1,04 0.96

0 88 0,80 0,72

1,0

/

—=4. <2 4

1/ 3

ч

\ \ • 1

«

1,5 2,0 2,5

Относительный текущий радиус детали, г / ^

Рис. 4.20. Зависимость толщины стенки ТЗ от изменения радиуса раздачи при различных коэффициентах раздачи: 1 - 0,8; 2 - 0,65; 3 - 0,5; 4 - 0,45.

Из предыдущих двух графиков видно, что с увеличением коэффициента раздачи ТЗ увеличивается разнотолщинность детали. При этом толщина стенки на кромке детали может быть определена по формуле:

М Яи

м

2-(1+——)

М Ни

здесь Яо - начальная толщина и радиус заготовки.

С целью определения коэффициента ар была проведена серия экспериментов. Результаты показаны на диаграмме (рис. 4.21).

Величины в расчетной формуле определялись из следующих зависимостей:

/? = (/С -ДоУвт а; а = (и _

1] _ = Ъ = Ш{Ъ%а)

здесь АЯ - приращение максимального радиуса на 1 мм.

0

-0,01

го -0,02 1-I О!

I -0,03 § -0,04

<п $

* -0,05

- расчетная кривая; * экспериментальные данные;

Рис. 4.21. Диаграмма зависимости ар от коэффициента раздачи для трубы 32x1 мм, углом конуса пуансона 22°30'

На рис.4.22. приведена окончательная деталь, полученная методом раздачи с нагревом.

N

—- • _____

1.2 1-4 1.6 18 2

Коэффициент раздачи Кр

Рис. 4.22. Результат осесимметричной раздачи ТЗ (Кр = 0,46)

Осесимметричный обжим с нагревом. В данном эксперименте использовались два типа ТЗ (материал АМгЗМ, диаметр 32 мм, толщина стенки 1,5 мм, угол конусности 20°; материал Д16Т, диаметр 30 мм, стенка 1,5 мм, угол конусности 20°). Деформация проходила несколько этапов, со снятием и охлаждением заготовки для замеров и дальнейшим нагревом с целью деформации. Результаты проведения испытаний по двум типам труб приведены в

таблицах 4.21. и 4.22.

Таблица 4.21

Осесимметричный обжим для ТЗ из материала АМгЗМ_

№, и/и Исходная длина ТЗ, Ь0 Перемещение ТЗ ,АЬ Общая длина ТЗ, Ь Усилие Рдеф Мин. диаметр

41,42,43 170 10,0 171,0 400 22

10,0 170,7 800 16

5,0 169,0 1100 14,5

Таблица 4.22

Осесимметричный обжим для ТЗ из материала Д16Т_

№, и/и Исходная длина ТЗ, Ь0 Перемещение ТЗ ,АЬ Общая длина ТЗ, Ь Усилие Рдеф Мин. диаметр

51,52,53 99,5 10,0 100,0 600 22

10,0 100,7 1450 16

10,0 99,5 2300 14,5

Из этих таблиц можно сделать вывод, что длина получаемых патрубков незначительно отличается от первоначальной длины ТЗ.

На рис. 4.23 показан результат осесимметричного обжима с нагревом для исследованных образцов.

Рис. 4.22. Результат осесимметричного обжима

Асимметричная раздача с нагревом. В следующей серии экспериментов материал заготовок нагревался дифференцированным способом.

Температура в начале процесса в очаге деформации достигала 350°С в конце процесса 400°С.

Использовались два типа ТЗ (материал АМгЗМ, диаметр 32 мм, толщина стенки 1,5 мм; АМгбМ, диаметр 30 мм, стенка 2 мм). Угол конусности 22°30'.0сь конуса повернута относительно оси заготовки на угол 10°. Раздача также проходила в несколько этапов.

На рисунке 4.23 показана последовательность формоизменения ТЗ в результате асимметричной раздачи с нагревом.

Рис. 4.23. Последовательность этапов операции асимметричной раздачи и замеров

На рис. 4.24 показана готовая деталь, полученная методом асимметричной раздачи с нагревом.

Рис. 4.24. Результат асимметричной раздачи

Результаты экспериментов приведены в таблице 4.23.

Таблица 4.23

№, п/п Исходная длина ТЗ, Ьо Перемещение ТЗ, АЬ Общая длина ТЗ, 1 Длина ТЗ, ь* Усилие Рдеф Макс, диаметр

31,32,33 170,0 15,0 169,0 166,7 300 40,0

10,0 168,2 161,0 400 47,5

15,0 164,5 152,0 500 55,0

15,0 162,0 143,8 650 62,0

15,0 157,5 133,0 800 68,0

5,0 156,0 131,0 800 70,0

20,0 148,0 118,0 1150 77,0

Для того, чтобы сравнить многопереходный и однопереходный процессы были проведены испытания ТЗ (АМгбМ, диаметр 30 мм, стенка 2 мм) на раздачу за один переход при общем перемещении 95-100 мм. Была получена деталь длиной 234 мм, минимальным расстоянием до раструба конуса 191 мм, и с диаметром 78 мм. При этом максимальное усилие деформации составило 1500 кг.

Разница в размерах объясняется тем, что при многопереходном процесс увеличивается влияние контактного трения, что приводит к уменьшению пе-

репада размеров ЬжЬ*.

Асимметричный обжим с нагревом. ТЗ (материал АМгбМ, диаметр 50 мм, толщина стенки 1,5 мм.). Применялся дифференциальный нагрев при помощи ТЭН, которые были расположены по окружности матрицы. На входе в зону деформации действовали температуры 330-350°С, в самой зоне деформации 390.. .400 °С. Результаты экспериментов приведены в таблице 4.24.

Таблица 4.23

№, и/и Исходная длина ТЗ, Ьо Перемещение ТЗ, АЬ Общая длина ТЗ, 1 Длина ТЗ, ь* Усилие Рдеф Мин. диаметр

71 133,0 30 133,0 132,5 500 34

20 133,0 132,0 1000 32

72 170,0 60 170,0 169,0 1100 30

На рис. 4.25. показаны детали, полученные методом асимметричного обжатия ТЗ с нагревом.

Рис. 4.24. Результат асимметричного обжима

Гибка-раздача по рогообразному сердечнику с нагревом. Использовалось несколько ТЗ (материал АМг2М, диаметры 40-63 мм, толщина стенки 1-2 мм.). Рогообразный сердечник имел радиус изгиба 0,75...2 от диаметра патрубка. Нагрев сердечника осуществлялся вдоль оси в температурном диапазоне от 20 до 200...450 °С. Перепад температур между вогнутой и выпук-

лой частью не превышал 30 °С. На рис 4.25 приведены сравнительные характеристики расчетных и экспериментальных данных.

Рис. 4.25. Сравнение расчетных и экспериментальных данных усилий гибки-раздачи с нагревом (линией показана расчетная кривая, точками показаны опытные данные)

Как видно из рисунка опытные значения достаточно близки к теоретической кривой, отклонения не превышают 20%. Тенденция такова, что большинство экспериментальных точек находится под кривой, что объясняется более интенсивным перепадом прочностных данных в зонах деформации и более совершенной формой сердечника. Таким образом, можно сделать вывод о том, что расчеты дают некоторый запас по усилиям, что выгодно при подборе оборудования для формовки.

Использование местного нагрева увеличивает степень изменения формы. Для эксперимента была взята ТЗ из АМг2М, диаметр 42 мм, толщина стенки 1мм, с радиусом гиба 0,75 диаметра патрубка. На рис. 4.26 приведена зависимость предельного коэффициента формообразования от температуры сердечника до 350... 450°С.

2,0 1.5 1,0 0,5

0 100 200 300 400 500 Т°С

Рис. 4.26. Зависимость коэффициента формообразования от температуры нагрева

На рис. 4.27 показан образец крутоизгонутого патрубка, полученного по вышеприведенным режимам процесса гибки-раздачи. Диаметр увеличился с 42 до 63 мм, радиус гиба достиг 0,75 диаметра патрубка за одну операцию формовки с нагревом, что невозможно при обычных условиях.

N >

\

; Ч

Рис. 4.27. Результат операции гибки-раздачи

Отметим, что при таких больших степенях формоизменения утонения стенок незначительны, что объясняется значительной осевой подсадкой ТЗ, которая происходит из-за благоприятных распределений температуры, оптимальной конструкции рогообразного сердечника.

4.1.5. Исследование геометрических размеров патрубков

Для любых ТЗ лучшим способом деформирования будет тот, при котором будет обеспечена равномерная деформация по окружному сечению ТЗ, т.е. при котором в зоне деформации возникнет благоприятное напряженное состояние.

В данном случае, для оценки качества процесса формоизменения необходимо оценивать утонение стенок ТЗ, сопровождающееся изменением диаметра. Как известно степень формоизменения возрастает, если использовать местный нагрев, выбрать наиболее рациональные режимы смазки, рациональную форму пуансона.

На рис. 4.28 показаны детали, полученные в результате использования различных температурных режимов.

Рис. 4.28. Образцы деталей, полученных из ТЗ при различных температурах

Как уже было отмечено выше, высокая степень формоизменения не оказывает влияние на утонение стенок, что объясняется значительной осевой подсадкой ТЗ, которая происходит из-за благоприятных распределений температуры, оптимальной конструкции оснастки и рационально подобранной смазке.

На рис. 4.29 приведены образцы деталей с распределением толщин стенок. Как видно из рисунка, данные по толщине стенки ТЗ, полученные в результате предварительных расчетов отличаются от экспериментальных данных в пределах 10... 12 %. Это связано с использованием местного нагревами и с другими факторами, которые позволяют изменить соотношение сгр и сг0 в лучшую сторону.

Рис. 4.29. Распределение толщин по стенкам для различных типов деталей

Экспериментальные данные показали, что наибольшим утонениям подвергаются кромки ТЗ, что является ограничительным фактором техпроцесса. Если найти способы, как избежать значительного утонения на кромках ТЗ, то можно будет получать детали без утонений. Для этого нужно пересмотреть конструкцию технологического оборудования.

Я

После проведения экспериментов были проведены замеры продольных рисок, нанесенных на внутренние поверхности деталей изготовленных из АМг2М. Данные замеров сведены в таблицу 4.25.

Таблица 4.25

Детали для замеров

Диаметр и толщина ТЗ. мм

Образец

Средняя глубина рисок Н, мм

Отклонения эл-липсности, %

э

20x1 40x1 50x1 63x1 80x1

1

2

3

4

5

0,041 0,037 0,046 0,041 0,048

20+0,5 40+0,9 50+1,0 63 0,5 80+0,1

- Щ

0'1 III'/

Ч

4%

\

о1

-»т -огя

ЕЛ)

22x1 40x1 53x1 63x1 70x1 80x1

6

7

8

9

10

0,044 0,031 0,038 0,041 0,034 0,038

20 -0,1 40 0,3 53+0,2 63+0,1 70+0,4 80+0,4

<4 ае

що

Л-1

20x1 28x1 40x1 63x1 70x1

12

13

14

15

16

0,047 0,041 0,041 0,044 0,048

20+0,1 28+0,2 40.0,4 63+0,2 70+0,1

Из табличных данных можно установить, что глубина рисок менее 0,05 мм, для крутоизогнутого патрубка разброс толщин по радиусу не превышает 5%, эллипсность, спиралевидность не превышают допустимые ограничения по ТУ на изготовление элементов трубопроводов под сварку.

4.1.6. Металлографические исследования

Металлографические исследования образцов из АМг2М, полученные с использованием нагрева до 400...450 °С были проведены с целью определе-

ния, того каким образом нагрев влияет на структуру материала. Исследовались исходные ТЗ в состоянии поставки и после нагрева. Микроструктура образцов выявлялась методом химтравления в реактиве Келлера. Микроструктура образцов приведена на рис 4.30. Фотографирование микрошлифов проводилась с помощью микроскопа №ор1ю1-21, микротвердость измерялась с помощью прибора ПМТ-3, нагрузка 50 г.

а) б)

Рис.4.30. Микрошлифы исследуемых образцов: а - исходная заготовка; б - готовая деталь.

Поверхности исходной заготовки и готовой детали были гладкими, гофры, забоины и вмятин отсутствовали. Микроанализ показал, что структура материала в образцах мелкозернистая, дефектов не наблюдается. Данные по образцам показаны в таблице 4.26.

Таблица 4.26

Образец Материал ТЗ Состояние материала Шифр фотографий и микроструктуры

1 2 АМг2М АМг2М ОСТ1.90038-88 Изгиб с кратковременным нагревом током высокой частоты (50 с) до температуры 450 °С 4-20 4-21

Замеры формы поперечного сечения детали подтвердили их соответствие ТУ изготовления.

По результатам анализа микроструктуры исходной ТЗ и полученной

детали можно сделать заключение о том, что нагрев ТВЧ до 450 °С в течение 50 с не вызывает изменения в микроструктуре. Микротвердость готовой детали НЯС 20...22.не изменилась. Структура материала также не изменилась, что подтверждается предположением о том, что в процессе деформации происходит рекристаллизация металла.

Таким образом, можно сделать вывод о интенсификации процесса формообразования за счет совмещения в одном технологическом процессе силового воздействия и термообработки.

4.1.7. Физико-механические испытания

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 <ув и от при неизменном удлинении. Тем самым повышается основной показатель надежности - ресурс изделий, что положительно влияет на качество готового изделия. Увеличение сгв и от обеспечивается упрочнением материала ТЗ в процессе формоизменения.

Таблица 4.27

Схема Параметры Номер Свойства Зо-

вырезки исходной заготовки образца ав,кгс! мм2 <ут ,кгс / мм2 8 на

12x1,0 1 19-19/19 - 16-21/18,5 а

19-19/19 - 16-20/18 б

34x1,0 2 19-20,5/19,5 15-15/15 15,5-16/15,8 а

19-20,5/19,5 15-16/15,5 15-17/16 б

48x1,0 3 19-20/19,5 14,5-16/15 17-18/17,5 а

19-20/19,5 14-15/15,5 17-18/17,5 б

60x1,0 4 20-21/20,5 14-16/15,5 19-22/21,5 а

20-21-20,5 15-16/15,5 20-21/20,5 б

20x1,0 5 19-20/19,5 - 46-18/17 а

21-22/21,5 - 15-18/17 б

19-19/19 - 17-19/18 в

26x1,0 6 19-21/20 14-16/15,5 19-22/20 а

22-24/23,5 16-17/16,5 15-17/15,5 б

20-21/20,5 13-14/13,5 21-22/21,5 в

38x1,0 7 21-22/21,5 14-16/15 20-22/21 а

22-25/23,5 15-17/16,5 18-19/18,5 б

20-21/20,5 14-15/14,5 19-21/20 в

42x1,5 8 19-22/21 13-15/13,5 27-30/28 а

22-23/22,5 15-17/16 23-25/24 б

19-19/19 12-13/12,5 25-27/26 в

80x1,0 9 19-21/20 13-14/13,5 17-20/19 а

18-19/18,5 12-14,5/13 19-19/19 б

19-20/19,5 11-11/11 19-19/19 в

80x1,0 10 20-20/20 10-11/11,5 18-20/19 а

20-30/20,5 11-12/11,5 19-20/19,5 б

В числителе приведены максимальные и минимальные значения показателей прочности, в

знаменателе приведены средние значения по результатам пяти испытании

4.1.8. Испытания на вибропрочность

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.

Таблица 4.28

Частота Циклы нагру- Придание Амплитуда Время на

колебаний, Гц жения ускорения, g колебаний, мм испытания, мин

5 21600 0,6 72

6 27000 0,8 0,5 72

8 34500 1,5 72

10 43200 2,0 72

12 54000 3,0 - 72

16 69120 72

20 86400 4,0 - 72

25 108000 72

31 136080 4,0 0,5 72

40 172800 72

50 216000 5,0 0,5 72

63 272160 8,0 72

80 345600 72

100 432000 72

125 540000 10,0 - 72

160 691200 72

200 864000 72

250 1080000 13,0 0,5 72

315 1360800 88 72

400 1728000 72

500 2160000 20,0 72

630 6804000 0,03 18

800 8640000 18

1000 10800000 18

1250 13500000 18

1600 17280000 18

2000 21600000 18

Эксперимент проводился при температуре гидрожидкости 20 °С с внутренним давлением рщ&. Результаты приведены в таблице 4.29.

Таблица 4.29

Номер образца Диаметр трубы, мм Циклы нагружения Особые отметки

3 1 2 ООО 18,3x10" 18,3х106 18,3х106 Разрушений нет. Полный цикл испытаний по программе пройден.

2 50 5,2x10" Обнаружена трещина под хомутом в основном материал в зоне крепления

1 3 50 50 18,3x10" 18,3х106 Разрушений нет. Полный цикл испытаний по программе пройден.

1 32 3,358x10" Обнаружена трещина в зоне термического влияния сварного шва

2 3 32 32 18,3x10" 18,3х106 Разрушений нет. Полный цикл испытаний по программе пройден.

2 3 32 32 18,3x10" 18,3х106 Разрушений нет. Полный цикл испытаний по программе пройден.

4 5 32 32 18,3х10ь 18,3х106 Разрушений нет. Полный цикл испытаний по программе пройден.

1 2 3 25 25 25 18,3x10" 18,3х106 18,3х106 Разрушений нет. Полный цикл испытаний по программе пройден.

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.

4.1.9. Испытания на прочность и герметичность

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.

4.1.10. Влияния электротермического воздействия на свойства деталей из титановых ТЗ

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 е.). 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 ТЮ2. 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.

После проведения экспериментов были получены следующие данные, что содержание кислорода в исследуемых образцах повышено. Отжиг не

приводит к повышению содержания кислорода и не увеличивает толщину окисной пленки. Данная закономерность одинакова для ОТ4 и ОТ4-1.

Содержание водорода в поверхностном слое исследуемых образов патрубков из ОТ4 не превышает 0,008 %, из ОТ4-1 не превышает 0,004 %. Данные показатели являются допустимыми пределами для вышеуказанных титановых сплавов.

Содержание азота не изменяется по сечению образца. Это говорит о том, что при нагревании в воздухе титановых сплавов основную роль в образовании пленки играет азот, а не кислород. Азот диффундирует в титане с меньшей скоростью, а скорость поглощения водорода титаном ограничена присутствием окисной пленки.

При удалении окисной пленки после деформирования перед дальнейшей обработкой (отжиг, пескоструйная обработка, травление и др.) уменьшается содержание примесей до исходного состояния.

Можно сделать вывод, что среда нагрева практически не влияет на содержание примесей азота и кислорода. Можно отметить снижение содержания водорода у образцов, которые были отожжены в условиях вакуума, по сравнению условиями отжига в воздухе или аргоне.

Образцы исследовались на микротвердость и хрупкость на микро-твердометре ПМТ-3. Структуру образцов можно отнести к 1 типу шкалы псевдо ос-сплавов (ВИАМ 1054-76).

Для определения хрупкости использовался твердосплавной наконечник «Роквелл», который вдавливался в поверхность образца с усилием 1,5 кН. При вдавливании образовывались радиальные микротрещины, которые исследовались при 400-кратном увеличении и по расположению которых делались выводы о хрупкости материала.

Результаты оценки микротвердости приведены в графиках на рис. 4.31. Из представленных на графиках кривых видно, что при нагреве до исследуемого интервала температур не происходит существенных изменений микротвердости. Увеличение микротвердости происходит при электронагреве в

камерной печи начиная с температуры 650 °С.

п,шт.

2 0

и,мпа 5000

1500

то

J500

ПоОсрхностны слой у *

г > у

1 1 1 {<, 2 1

Поберхностныи слои Ф

На глудш / /е 2 т н ^

У/Л Ш ж

500 550 600 650 700 150 800 Г,°С

б)

ntwtn. 2 0

Н,НПа 4500

то

3500

то

Поверхностный слой 1

г >

Поберхностнь/й слой ^

На / LI 1 * 2нкн У

/ V ic

ш V//, У/Л т!%

500 Х0 600 б<

0 100 750 вООГ.еС

а)

Рис. 4.31. Изменение хрупкости и микротвердости в зависимости от температуры формообразования: а - ОТ4; б - ОТ4-1

Хрупкость на поверхности образцов ОТ4 и ОТ4-1 начинает проявлять себя при 650... 700 °С для горячей штамповки и 800... 850 °С при формовке с индукционным нагревом.

Во всех случаях исследовался поверхностный слой на глубину не более 2 мкм.

При удалении окисной пленки перед дальнейшей обработкой исключает хрупкость поверхностных слоев образов из ОТ4 и ОТ4-1 в заданных интервалах температур.

Образцы подвергались статическим испытаниям с целью определения их механических характеристик (предел прочности, удлинение и др.). Были подготовлены образцы по ГОСТ 1497-73 и ГОСТ 14019-68. Результаты испытаний показали, что с повышением температуры не происходит существенных изменений предела прочности образцов из ОТ4 и ОТ4-1 в пределах температур 600...650 °С. Механические свойства образцов полученных при нагреве 750...800 °С несколько снижаются, но лежат в пределах допуска по ТУ.

Для исследуемых образцов из титановых сплавов проводились исследования на малоцикловую усталость. Они изготавливались по ГОСТ 2550279 тип III. Исследовались три группы одинаковых образцов при одинаковых средних напряжениях цикла: для ОТ4 - 428,5 МПа; для ОТ4-1 - 386,5 МПа.

Данные о влиянии методов формообразования, последующей термообработки, вида обработки на малоцикловую усталость приведены в таблице 4.30.

Таблица 4.30

№ операции Режим работы (температура, время) Число циклов до разрушения

ОТ4 ОТ4-1

1 Нагрев в электропечи с последующим формообразованием (650 °С, 30 мин) 72 000 69 000

2 Индукционный нагрев с последующим формообразованием (650 С, 50 с) 180 000 167 000

3 Отжиг после операции 1 в воздушной среде (600 °С, 1 ч) 230 000 220 000

4 Отжиг после операции 2 в воздушной среде (600 °С, 1 ч) 290 000 280 000

5 Отжиг после операции 1 в вакууме (600 °С, 1 ч) 210 000 190 000

6 Отжиг после операции 2 в вакууме (600 °С, 1 ч) 270 000 240 000

Из таблицы видно, что индукционный нагрев приводит к значительному увеличению количества циклов до разрушения для обоих типов сплавов. Отжиг в воздушной среде также увеличивает малоцикловую усталость образцов по сравнению с отжигом в вакууме.

Следует отметить, что дополнительная пескоструйная обработка поверхности образцов после индукционного нагрева и после отжига в воздушной среде приводит к резкому увеличению количества циклов до разрушения и составляет более 350 ООО.

Таким образом, по результатам исследования образцов и титановых сплавов можно сделать выводы о том, что формообразование ТЗ путем силового воздействия на торец ТЗ и проталкивания по нагретой матрице более эффективен, чем горячая штамповка полупатрубков из листовых заготовок

поскольку:

- сокращается длительность нагрева, формообразования и охлаждения с 30 мин до 50 с;

- исключаются промежуточные операции (отжиг, сварка, неполный отжиг сварного патрубка);

- открываются новые возможности для использования других методов и способов нагрева;

- повышаются показатели прочности и пластичности на 7-15%, малоцикловая усталость на 21%;

- толщина окисной пленки не более 0,03... 0,08 мкм, что меньше чем у полупатрубков, газонасыщение отсутствует;

- повышается надежность гидрогазовых систем в целом за счет применения высокопрочных и надежных, но труднодеформируемых сплавов.

На основании проведенных экспериментов можно определить наиболее рациональный технологический процесс формообразования деталей из ТЗ. Параметры процесса: усилие протяжки 200-300 кН; нагрев ТВЧ мощностью 100-160 кВт; время изготовления 3-6 мин. КИМ до 0,7-0,9; разнотолщинность в пределах ТУ не более 20%; отклонение от круглости не более 1 -2%; спира-левидность отсутствует.

4.2. Экспериментальные исследования процессов раскатки и ротационного обжима трубных заготовок

4.2.1. Экспериментальные исследования по раскатке труб

Основные отличия процесса раскатки труб (рис.4.32) от процесса продольной прокатки листов заключаются в том, что контур ТЗ замкнут, что позволяет непрерывно и многократно прикладывать внешнюю нагрузку.

Рис. 4.32. Принципиальная схема раскатки концевого участка ТЗ: 1 - трубная заготовка; 2 - приводная (ведущая оправка); 3 - подпор (давильная оправка); 4 - зона деформации

На рис. 4.33. показаны детали, полученные в результате процесса раскатки.

Рис. 4.33. Детали, полученные методом раскатки: а - конусообразный раструб с положительной конусностью ,б - конусообразный раструб с отрицательной конусностью; в -цилиндрический раструб

Цель проведения экспериментов: установить величину внеконтактной деформации ТЗ на отрезке перед входными давильными оправками

Размеры геометрического контакта ТЗ и давильного инструмента определялись в состоянии статики с помощью схемы, показанной на рис. 4.34. Длины «а» и «Ь», определяющие геометрический контакт ТЗ и инструмента определялись с помощью инструментального микроскопа №ор1ю1-21.

I

Рис. 4.34. Схема определения геометрического контакта

Были проведены предварительные эксперименты по раскатке и получены готовые детали, по которым проводились замеры, с целью определения длины геометрических контактов ТЗ и инструмента для ТЗ из материалов Сталь Ст.З и АМгбМ. Результаты приведены в таблице 4.31.

Таблица 4.31

Материал заготовки Размеры, мм Погонное усилие деформирования, кг/мм Время обработки, с Диаметр получаемого раструба, мм

Ст.З 60x3,5 118,0 20 90

Ст.З 60x3,5 128,0 13 100

Ст.З 60x3,5 96,0 30 90

Ст.З 42,5x3,5 102,6 10 100

Ст.З 42,5x3,5 62,4 60 85

АМгбМ 50x2,25 100,0 4 80

АМгбМ 50x2,25 71,1 5 60

АМгбМ 50x2,25 51,0 12 52

АМгбМ 50x2,25 59,2 9 54

Предварительная раскатка образцов из ТЗ показала, что ее возможности превышают возможности по формообразованию ТЗ методом раздачи на

жестких пуансонах в 1,5...2 раза. При этом время обработки играет очень важное значение. При уменьшении времени обработки с одновременным увеличением деформирующего усилия повышаются возможности формоизменения. В таблице 4.32...4.34 приведены размеры геометрического контакта «а» и «Ь» с формообразующим инструментом для полос из материалов АМгбМ, Д16Т и трубной заготовки из АМгбМ.

Таблица 4.32

№ Тип заготовки Ширина Действующее а, ь, Полученная

и/и и материал полосы, усилие мм мм толщина, мм

Ь, мм Р, кг

1 Полоса толщиной 2 мм из АМгбМ 17 500 1,15 1,31 1,9

18 1000 2,06 2,65 1,9

19 1500 3,00 3,22 1,8

20 2000 3,65 3,22 1,7

20 2500 4,61 4,70 1,7

Таблица 4.33

№ Тип заготовки и Ширина Действующее а, ь, Полученная

п/п материал полосы, усилие мм мм толщина, мм

Ь, мм Р, кг

1 Полоса толщи- 20,0 1000 1,25 1,70 0,94

ной 1,0 мм из 20,0 1500 1,45 2,05 0,92

Д16Т

Таблица 4.34

№ Тип заготовки Ширина Действующее а, ь, Полученная

п/п и материал Кольца, усилие мм мм толщина, мм