Разработка процессов и определение параметров штамповки осесимметричных элементов особотонкостенного трубопровода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Танский, Владимир Алексеевич

• Танский, Владимир Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Танский, Владимир Алексеевич

Введение

1. Обзор способов формообразования осесимметричных деталей.

1.1 Анализ существующих способов формообразования переходников

1.2 Анализ способов формообразования сильфонов и облегченных фланцев

Выводы

2. Разработка метода теоретического анализа формообразования осесимметричных элементов из трубных заготовок.

2.1 Обзор теоретических работ в данной области

2.2 Моделирование кинематики пластического течения трубной заготовки при ее раздаче и осадке

Выводы

3. Определение энергосиловых параметров формообразования осесимметричных элементов трубопроводов.

3.1 Определение внутреннего давления наполнителя при раздаче трубной заготовки

3.2 Определение относительного напряжения осевого сжатия

3.3 Определение усилия осевого сжатия

3.4 Построение номограмм энергосиловых параметров формообразования переходников, облегченных фланцев и сильфонов

Выводы

4. Экспериментальная отработка процессов формообразования осесимметричных элементов трубопроводов.

4.1 Получение особо- и сверхтонкостенных трубных заготовок

4.2 Описание применяемой штамповой оснастки

4.2.1 Штамповал оснастка для формообразования сильфонов

4.2.2 Штамповая оснастка для формовки гофров облегченных фланцев и переходников

4.3 Требования к наполнителям

4.4 Требования к смазке

4.5 Численное сравнение теории с экспериментом

Выводы

5. Разработка технологических процессов и оборудования для формообразования осесимметричных элементов из трубных заготовок.

5.1 Разработка технологических процессов формообразования сильфонов, облегченных фланцев и переходников

5.2 Создание установки для штамповки осесимметричных деталей из труб

5.3 Контроль качества отштампованных деталей.

5.3.1 Металлографические исследования отштампованных сильфонов и переходников

5.3.2 Результаты сравнительных циклических испытаний сильфонов

5.4 Технико-экономическое обоснование

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка процессов и определение параметров штамповки осесимметричных элементов особотонкостенного трубопровода»

Актуальность темы. В настоящее время в нашей стране находится в эксплуатации около 2,5 тыс. единиц авиатехники. Из них 800 имеют весьма преклонный для самолетов возраст - свыше 25 лет. Для повышения конкурентоспособности российских авиаперевозчиков необходимо стимулировать развитие гражданской авиации, которое невозможно без создания новых и модернизации существующих летательных аппаратов (ЛА). Усложнение конструкции, увеличение полетной массы, грузоподъемности, связанные с этим рост рабочих давлений в магистралях и увеличение их протяженности приводят к ужесточеншо требований, предъявляемых к надёжности, технологичности и ресурсу трубопроводных систем.

Один из возможных путей решения актуальной проблемы по повышению ресурса трубопроводных систем при одновременном снижении массы - использование в конструкции JIA трубопроводных систем, собранных из типовых унифицированных высокоресурсных особотонкостенных трубопроводных элементов, изготавливаемых из титановых, алюминиевых деформируемых сплавов и коррозионно-стойких сталей. К особотонкостенным относят элементы со следующими параметрами: 30 < Dit < 130, где D - диаметр трубы, t - толщина стенки.

Требования, предъявляемые к ресурсу и надежности элементов трубопроводных систем JIA, могут быть сформулированы исходя из условия их соответствия техническому ресурсу основных конструкций планера, что составляет 30000 часов или примерно 170000 циклов нагружений до величины рабочих напряжений, возникающих в конструкциях в ходе эксплуатации изделия.

В данной работе рассматриваются вопросы получения высокоресурсных осесимметричных элементов трубопроводных систем, а именно: сильфонов, облегченных фланцев и переходников из особотонкостенных трубных заготовок.

Необходимость сведения к минимуму брака при изготовлении упомянутых выше элементов в сочетании с требованием минимальной, из условия прочности, толщины стенки значительно усложняет задачу при разработке технологических процессов и оборудования для штамповки.

Для авиационной отрасли характерна частая сменяемость изделий и сжатые сроки подготовки производства, что дополнительно усложняет задачу выбора технологических процессов. Наиболее полно этим условиям отвечают способы обработки металлов давлением с применением эластичных сред.

Основными силовыми параметрами процесса формообразования осесимметричных элементов трубопроводов раздачей внутренним давлением эластичного наполнителя с одновременной осевой осадкой являются: давление, создаваемое наполнителем внутри заготовки, и усилие осевого сжатия. Для бездефектного формообразования необходимо четко определить значения этих параметров на каждой стадии.

В настоящее время существуют расчетные методики для их определения, однако они не позволяют достичь высокой точности при расчетах или же требуют громоздких вычислений.

Таким образом, возникает необходимость в создании инженерной методики для расчета основных силовых параметров процесса штамповки, разработке способов формообразования и оборудования для их осуществления.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года», темы «Разработка директивных технологических процессов сборки секций фюзеляжа изделия «476» в части технологических процессов формообразования унифицированных элементов тонкостенного трубопровода из высокопрочных материалов»; заказчик - ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина», договор № 951/321 от 25.07.07.

Цели н задачи исследования. Разработка и научное обоснование способов формообразования осесимметричных элементов трубопровода ЛА из особотонкостенных трубных заготовок, теоретическое и экспериментальное исследование процессов, разработка технологий и оборудования на основе полученных результатов.

Достижение цели работы требует решения следующих задач: определить кинематику пластического течения при штамповке гофра сильфона, облегченного фланца и полуфабриката переходника в разъемных матрицах; получить расчетные зависимости для определения силовых параметров процесса формообразования; построить номограммы для определения силовых параметров (внутреннего давления наполнителя, относительного напряжения и усилия осевой осадки) процесса формовки сильфонов, облегченных фланцев и переходников; создать способы и оборудование для бездефектного формообразования осесимметричных элементов трубопроводных систем эластичными средами из особотонкостенных трубных заготовок; провести металлографические исследования и ресурсные испытания осесимметричных элементов трубопровода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе метода верхней оценки и метода баланса работ (мощностей). Экспериментальная отработка производилась на гидравлическом прессе ДБ2432А с применением специально разработанной штамповой оснастки. Научная новизна работы заключается в следующих результатах: разработана математическая модель процесса формообразования осесимметричных деталей из трубных заготовок, основанная на представлении кинематики пластического течения как суперпозиции сдвига и изгиба; сформулированы научно обоснованные рекомендации для выбора энергосиловых параметров процессов формообразования сильфонов, облегченных фланцев и переходников; предложен комплексный подход к проектированию технологических процессов формообразования особотонкостенных осесимметричных элементов трубопроводных систем из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей; разработанные процессы представляют собой единую технологическую схему производства элементов трубопровода посредством получения трубной заготовки и штамповки эластичными средами; представлены результаты металлографических исследований структуры основного металла и характерных зон сильфонов и переходников.

Практическая значимость.

Создана установка для формообразования осесимметричных деталей из труб раздачей со свободным перемещением торца заготовки.

Определены ресурсные характеристики узлов трубопровода с рассматриваемыми в работе сильфонами путем их испытаний по отраслевой методике.

С использованием основных положений теоретических и экспериментальных исследований автора разработаны технологические инструкции для ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина» по определению энергосиловых и технологических параметров для бездефектного формообразования, проектированию штамповой оснастки, выбору оборудования, наполнителей, смазок и подсмазочных покрытий, применяемых при изготовлении элементов особотонкостенного трубопровода.

Разработанные технологические процессы могут быть использованы в качестве технологий двойного применения при производстве элементов облегченной трубопроводной арматуры (машины и аппараты пищевых производств), особотонкостенных оболочечных конструкций (устройства водохозяйственного оборудования - фильтры тонкой очистки жидкостей, расходомеры).

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены при постановке производства изделия «476» (ОАО «АК им. Ильюшина»),

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2006), V Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 2006), Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Воронеж, 2006, 2007), XXXVI Уральский семинар (Екатеринбург, 2006), Международная школа-семинар «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 2007), V Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Москва, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на способы формообразования и 1 решение о выдаче патента на конструкцию штампа. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,7]- определение зависимостей для расчета относительного напряжения и усилия осевой осадки заготовки; [2] - разработка технологических процессов получения заготовок и формообразования сильфонов; [3,4]-определение функции, описывающей искривление срединной поверхности заготовки, [5] - расчет геометрических параметров заготовок; [9, 13]-разработка конструкции штампа для штамповки сильфонов из малопластичных сплавов; [10] - определение зависимостей для расчета скорости изменения толщины стенки трубной заготовки в вершине гофра; [11] - результаты ресурсных испытаний сильфонов; [12] - расчет оптимального значения внутреннего давления наполнителя на первой стадии процесса; [14] — оптимизация формы предварительного гофра при формовке сильфонов последовательным способом.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 57 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 195 страницах и содержит 71 рисунок и 26 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Танский, Владимир Алексеевич

8. Результаты работы в виде технологических инструкций и технологических процессов формообразования элементов трубопровода ЛА внедрены на ОАО «Авиационный комплекс им. С.В. Ильюшина» (г. Москва). В виде опытных образцов особотонкостенных корпусов фильтродержателей из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т результаты работы внедрены в Государственном координационном центре «Бытовая экология» (г. Москва).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Танский, Владимир Алексеевич, 2008 год

1. Горбунов, М.Н. Основы технологии производства самолетов / М.Н. Горбунов М.: Машиностроение, 1976. - 260 с.

2. Давыдов, О.Ю. Штамповка неравнопроходных тройников из трубных заготовок в разъемных матрицах / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, Ю.А. Невструев // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. №6. С.40-44.

3. Исаченков, Е.И. Развитие технологии штамповки эластичными, жидкостными и газовыми средами / Е.И. Исаченков // Кузн.-штамп. пр-во. 1976. №7. С.2-5

4. Пат. 2190493 Российская Федерация, B21D 51/10, В23К 28/02. Способ изготовления тонкостенных осесимметричных сосудов / В.Г. Егоров,B.В. Голуб, Ю.А. Невструев 2000130643/02 ; заявл.06.12.2000 ; опубл. 10.10.2002, Бюл. № 28. - 1с. : ил.

5. Давыдов, О.Ю. Ротационная вытяжка прямолинейных тонкостенных патрубков / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, И.Н. Шабунин // Тезисы докладов и сообщений 32ой науч. конф. Воронежского технологического института — Воронеж: ВТИ, 1993. т.З С. 17.

6. Иванов, C.B. Влияние технологических факторов на концентрацию напряжений и долговечность сварных трубопроводов из сплавов титана /C.B. Иванов, Ф.Р. Куликов, Ю.В. Васькин // Авиационная пром-сть. Прил. к журн. 1983. №З.С.З8-43.

7. A.c. 1063511 СССР, МПК7В21D41/02. Устройство для раздачи трубчатых заготовок Текст. / A.C. Чумадин, A.C. Ершов, В.И. Глазков (СССР). -3522807 ; заявл. 14.12.82 ; опубл. 30.12.83, Бюл. № 48 3 с. : ил.

8. Пат. США 6912884, МКИ B21D26/02; B21D26/00; B21D26/02; B21D39/08. Hydroforming process and apparatus for the same / Gharib, Mohamed T. (5 Hawthorne Lane, Brantford, CA). 10/173818 ; заявл. 06.19.2002 ; опубл. 07.05.2005 - 25 с. : ил.

9. Горбунов, М.Н. Штамповка деталей из трубчатых заготовок / М.Н. Горбунов-М.: МАШГИЗ, 1960. 189 с.

10. Исаченков, Е.И. Штамповка резиной и жидкостью / Е.И. Исаченков М.: МАШГИЗ, 1962.-327 с.

11. Пат. 2250808 Российская Федерация, В 21 D 15/10, 26/02. Устройство для изготовления сильфонов / Ю.П. Катаев, О.Г. Захаров 2002111471/02 ; заявл. 20.12.03 ; опубл. 27.04.2005, Бюлл. №12 - 6 с. : ил.

12. Пат. 2229356 Российская Федерация, МПК7 B21D15/10, B21D51/12. Устройство для формования сильфона / Д.А. Ширяев, В.П. Кругликов, Н.П. Глухов, И.В. Космач 2002110066/02 ; заявл. 20.02.2004 ; опубл. 27.05.2004 -2 с. : ил.

13. Лукьянов, В.П. Штамповка деталей трубопроводов гидростатическим давлением / В.П. Лукьянов, В.П. Шатеев, В.В. Клочков, Л.В. Обрушников // Хим. и нефт. машиностроение. 1976. №2

14. A.c. 1166861А СССР, МПК7 B21D22/10. Штамп для формовки трубчатых заготовок / Н.М. Макаров, Н.Д. Захарченко (СССР) 3664039; заявл. 23.01.1983 ; опубл. 15. 07. 1985 -2 с. : ил.

15. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн М.: Наука, 1984. - 831с.

16. Пат. 2131787 Российская Федерация, B21D 51/10, 22/16. Способ изготовления тонкостенных осесимметричных сосудов / В.В. Голуб, В.Г. Егоров, Ю.А. Невструев, Н.Д. Захарченко 98101997/02; заявл. 04.02.98 ; опубл. 20.06.99, Бюл. №17 - 3 с.: ил.

17. Трение и смазки при обработке металлов давлением: справочник / авт.-сост. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. М.: Металлургия, 1982 -312 с.

18. Егоров, В.Г. Штамповка сильфонов из особотонкостенных труб / В.Г.Егоров, О.Ю. Давыдов, М.Ю. Танеев, В.А. Танский // Авиационная промышленность. 2007. №2. С. 32-38

19. Ершов, В.И. Совершенствование формоизменяющих операций листовой штамповки / В.И. Ершов, В.И. Глазков, М.Ф. Каширин — М.: Машиностроение, 1990 312 с.

20. Farouk М F Badran. Axially uniform tube building / Farouk M F Badran, Karam M Emara // Sheet metal industries. November. 1978.

21. Banerjee, J.K. Limiting deformation in bulge forming of thin cylinders of fixed length / J.K. Banerjee // int. J. mech. Sci. Pregamob Press. 1975. vol. 17. P. 650662

22. Woo, D. Tube building under internal pressure and axial force / D. Woo // Journal of engineering materials and technology. 1973. №10. P. 219-223

23. Woo, D. Plastic deformation of anisotropic tubes in hydraulic building / D. Woo, A. Lua // Journal of engineering materials and technology. 1973. №10. P. 421-425

24. Song, W.J. Investigation on preformed shape design to improve formability in tube hydroforming process using FEM / W.J. Song, S.C. Heo, J. Kim, B.S. Kang // Journal of engineering materials and technology. 1973. №10. P. 341-348

25. Егоров, В.Г. Анализ процессов штамповки осесимметричных деталей из особотонкостенных труб / В.Г. Егоров, П.Д. Чудаков, JI.B. Балбекова // Куз-нечно-штамповое производство. 1996. №6. С.27-29

26. Инструкция по определению экономической эффективности новой куз-нечнопрессовой техники Воронеж: ЭНИКМАШ, 1979. - 131 с.

27. Комаров, А.Д. Штамповка трубчатых заготовок эластичной средой /A.Д. Комаров, К.Т. Мачулина, О.М. Ситкин // Вопросы технологии производства летательных аппаратов / Труды КуАИ ; вып. 64 Куйбышев, 1975. С. 30-38.

28. Исаченков, Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением / Е.И. Исаченков М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

29. Girard, A.C. Numerical simulation of axysymmetric tube buiging using a urethane rod / A.C. Girard, Y.J. Grenier, B.J. Mas Donald // J. Mater Process Techologies. 2006. 172. №3. C. 346-355.

30. Islam, M.D. Feasibility of multi-layered tubular components forming by hydroforming and finite element simulation / M.D. Islam, A.G. Olabi, M.S. Hashmi // J. Mater Process Techologies. 2006. 174. №1. C. 394-398.

31. Богоявленский, K.H. Гидропластическая обработка металлов / K.H. Богоявленский, А.Г. Рябинин JL: Машиностроение, 1988. - 256 с.

32. Лукьянов, В.П. Штамповка деталей трубопроводов гидростатическим давлением / В.П. Лукьянов, В.П. Шатеев, В.В. Клочков, Л.В. Обрушников // Хим. и нефт. машиностроение. 1976. № 2. С.29-30.

33. Нормы летной годности гражданских самолетов СССР (НЛГС-2). Межведомственная комиссия по нормам летной годности гражданских самолетов и вертолетов СССР. 1974. 107 с.

34. Богоявленский, К.Н. Штамповка деталей эластичными средами и жидкостью из трубных заготовок / К.Н. Богоявленский, Е.И. Серяков //Технологические процессы в машиностроении Л., 1976. С.95-100. - (Труды Ленинград, инж.- эк. ин-та. Вып. 119)

35. Забегалин, В.Н. Определение давления при формообразовании деталей из труб /В.Н. Забегалин // Кузн.-штамп. пр-во. 1994. № 3. С.12-13.

36. Хилл, Р. Математическая теория пластичности / Р. Хилл М.: ГИДТТЛ, 1956.-407 с.

37. Давыдов, О.Ю. Определение энергосиловых параметров штамповки осесимметричных деталей из особотонкостенных труб / О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, В.А. Танский // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. №2. С.32-38

38. Пат. 2131787 Российская Федерация, B21D 51/10, 22/16. Способ изготовления тонкостенных осесимметричных сосудов / В.В. Голуб, В.Г. Егоров, Ю.А. Невструев, Н.Д. Захарченко 98101997/02 ; заявл. 04.02.98 ; опубл. 20.06.99, Бюл. № 17. - 2с. : ил.

39. Грудев, А.П. Трение и смазка при обработке металлов давлением : справочник / А.П. Грудев, Ю.В. Зильберг, В.Т. Тилик М.: Металлургия, 1982.-312 с.

40. Егоров, В.Г. Способ формообразования полых деталей / В.Г. Егоров, П.Д. Чудаков, В.А. Танский // Пятый международный аэрокосмический конгресс 1АС06 : тезисы докладов Москва, 2006. С.435

41. Танский, В.А. Формообразование полых деталей с увеличенной длиной основной трубы / В.А. Танский. // 5-я Международная конференция «Авиация и космонавтика 2006» : тезисы докладов - Москва, 2006. С.242

42. Абковиц, С. Титан в промышленности / С. Абковиц, Дж. Бурке, Р. Хильц -М: ОБОРОНГИЗ, 1957.

43. Способы металлографического травления : справочник / М. Беккерт, X. Клемм ; пер. с нем. Н. И. Туркиной, Е. Я. Капуткина ; под ред. И.Н. Фридляндера-М.: Металлургия, 1988.