Совершенствование методов расчета предельного формоизменения тонкостенных заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Гермези Масуд

• Гермези Масуд
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гермези Масуд

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СПОСОБОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И МЕТОДОВ

РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ.

1.1. Обзор способов производства деталей ЛА.

1.1.1. Основные понятия.

1.1.2. Технологичность конструкции изделия.

1.1 .3. Совершенствование авиационной техники за счет новых материалов.

1.2 Конструкторско-технологический анализ деталей планера.

1.3 Типовые процессы изготовления деталей планера.

1.4 Методы расчета предельных деформаций при изготовлении деталей.

1.4.1. Энергетические критерии. Критерий положительности добавочных нагрузок и критерий положительности работ добавочных нагрузок.

1.4.2. Кинкматические критерии предельного деформирования.

1.5. Выводы.

1.6. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНОГО

ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК.

2.1. Исходные уравнения.

2.2. Решение задачи предельного деформирования для плоской заготовки.

2.2.1. Расчет предельных деформаций по кинематическим критериям.

2.2.2. Расчет предельных деформаций по критерию образования трещины.

2.2.3. Расчет предельных деформаций по энергетическим критериям.

2.3. Решение задачи предельного деформирования для осесимметричной оболочки.

2.3.1. Расчет предельных деформаций при формовке по кинематическим критериям.

2.3.2. Расчет предельных деформаций при формовке по энергетическим критериям.

2.3.3. Сопоставление проведенных расчетов предельных деформаций с известными результатами.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО

ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК.

3.1. Условия проведения экспериментов.

3.2. Исследование механических свойств листовых заготовок.

3.3. Исследование процесса формовки листовых заготовок.^

3.4. Исследование влияния технологических факторов на предельные возможности процесса формовки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов расчета предельного формоизменения тонкостенных заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов»

Летательный аппарат состоит из десятков тысяч различных металлических деталей (первичных элементов конструкции), большую часть которых получают методами листовой штамповкой.

Широкое применение листовой штамповки в авиастроении объясняется целым рядом ее достоинств. К основным из них относятся:

1) возможность получения достаточно прочных и жестких, но легких по массе конструкции деталей при небольшом расходе материала;

2) взаимозаменяемость получаемых холодной листовой штамповкой деталей вследствие их большой точности и однообразия;

3) большая производительность и низкая стоимость штампуемых деталей;

4) возможность применения малоквалифицированной рабочей силы (кроме установщиков);

5) сравнительно небольшие потери материала при правильном построении технологических процессов и раскрое материала;

6) благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов штамповки и создания автоматических линий и участков.

Удельный вес деталей, получаемых листовой штамповкой, составляет в самолетостроении 75-80%. При этом трудоемкость заготовительно-штамповочного производства как правило не велика и составляет, например, в самолетостроении 10-12%, остальное приходится на изготовление деталей другими методами, сборку, монтаж и испытания узлов, отсеков, агрегатов и изделия в целом.

Однако в зависимости от объекта и серийности производства объем технологической подготовки производства может быть достаточно большим. Так для серийного производства среднего самолета необходимо разработать десятки тысяч технологических процессов изготовления деталей, спроектировать и изготовить 2,5-3,0 тысячи инструментальных штампов, 2,0-2,5 тысячи свинцово-цинковых штампов, 3,5-4,0 тысячи формблоков, несколько сот обтяжных пуансонов и другой технологической оснастки. Установлено, что от 20 до 30% листового металла теряется уже только при разработке технологического процесса.

На выбор методов и средств листовой штамповки большое влияние оказывают свойства материала, вид заготовки-полуфабриката, форма получаемой детали и программы выпуска изделий. Несмотря на многочисленные исследования процессов листовой штамповки и вековой опыт промышленного применения, разработать оптимальный вариант технологического процесса применительно к изготовлению конкретной детали представляет и в наше время достаточно сложную задачу. Это приводит к большим объемам теоретических, экспериментальных и доводочных работ на стадии технологической подготовки производства.

Большая трудоемкость работ на этом этапе производства деталей летательных аппаратов связана в значительной мере с тем, что при листовой штамповке возможности пластического деформирования исходной заготовки (листа, трубы, профиля) всегда ограничены, поэтому и в теоретическом, и в практическом плане важное значение приобретают методы расчета (прогнозирования) предельных деформаций, превышение которых ведет к появлению того или иного дефекта в деформируемой заготовке (трещин, гофров, складок, поверхностей с «апельсиновой» коркой, локального утонения, неравномерного утонения заготовки т.п.).

Наиболее значимым дефектом в процессах пластического деформирования является разрушение заготовки. Это в конечном итоге ограничивает возможности получения из традиционных полуфабрикатов большой номенклатуры деталей или усложняет технологию их изготовления, делая ее многопереходной или многооперационной.

Зная (прогнозируя) предельные деформации заготовки в конкретной операции на этапе проектирования технологического процесса изготовления детали можно заранее отказаться от базового варианта технологического процесса, если он не позволяет достигать требуемого формоизменения за определенное число переходов и операций и разработать иной вариант технологии. С другой стороны, зная, что предельные деформации заготовки зависят от большого числа факторов: марки материала заготовки, ее геометрической и механической неоднородности, схемы напряженно-деформированного состояния материала, последовательности (истории) деформирования, температурно-скоростных условий штамповки, условий контактного трения и т.п. - всегда можно предложить то или иное техническое решение, которое обеспечит выход из затруднительного положения, если коренное изменение разработанного технологического процесса по каким-либо причинам уже невозможно.

Поэтому задача совершенствования методов расчета (прогнозирования) предельных деформаций тонкостенных полуфабрикатов при изготовлении деталей летательных аппаратов является актуальной.

Уточненный расчет предельной деформации заготовки в конкретной технологической операции, возможность управления предельными деформациями заготовки с использованием интенсифицирующих факторов (нагрев, сверхпластическое деформирование и др.) напрямую связаны с повышением технологичности конструкции изделия (детали), что имеет важное конструкторско-технологическое значение в целом.

Представленная работа выполнена на кафедре «Технология производства летательных аппаратов» «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского, где проведены все теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретическом плане работа связана с совершенствованием методов расчета предельных деформаций в операциях листовой штамповки при изготовлении деталей летательных аппаратов, основы которых были заложены российскими и зарубежными учеными, в том числе А.Д. Томленовым, В.Д. Головлевым, А.Д. Матвеевым, Г.Д. Делем, В.Ф. Катковым, В.И. Глазковым, В.И. Ершовым, Р. Хиллом, Г. Заксом, 3. Марчиняком и другими.

Целью диссертационной работы является разработка рациональных методов расчета предельных деформаций в процессах листовой штамповки деталей летательных аппаратов для повышения качества разработки технологического процесса и, в конечном итоге, для повышения качества получаемой детали.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведены теоретические исследования процессов листовой штамповки и определены методы решения поставленной задачи;

- разработаны усовершенствованные математические модели предельных деформаций в процессах листовой штамповки, основанные на энергетических и кинематических критериях с учетом реальных механических характеристик материала (с учетом непостоянства показателя деформационного упрочнения материала);

- созданы новые компьютерные модели расчетов параметров получаемых деталей при предельном деформировании листовых заготовок в процессе формовки;

- проведены экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность разработанных теоретических моделей предельного деформирования.

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

- теоретический анализ процессов листовой штамповки с использованием основных положений теории пластичности;

- численные методы интегрирования дифференциальных уравнений и базовые принципы программирования и передачи информации;

- экспериментальные методы исследования и обработки результатов на образцах и натурных заготовках из тонколистового материала.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработаны усовершенствованные математические модели предельного деформирования листовых полуфабрикатов по критериям возникновения «рассеянной» и локализованной «шеек» с учетом реальных механических характеристик материала заготовки; разработана усовершенствованная математическая модель предельного деформирования листовых полуфабрикатов по критерию возникновения трещины.

- разработаны усовершенствованные математические модели расчетов параметров получаемых деталей при формовке листовых заготовок на момент их предельной высоты.

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью принятых допущений, корректностью построения математических моделей и удовлетворительным совпадением теоретических расчетов с результатами экспериментальных работ.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработаны компьютерные модели для автоматизированного расчета предельного деформирования в операциях листовой штамповки с учетом влияния реальных механических свойств листовой заготовки, которые могут быть использовать на всех стадиях проектирования и освоения новых технологических процессов в промышленном производстве;

- получены аналитические выражения для уточненного расчета предельных деформаций листовых заготовок в процессе формовки с учетом влияния основных факторов процесса формовки; оценено влияние непостоянства показателя деформационного упрочнения материала на предельные деформации тонкостенных заготовок;

В конечном итоге практическое значение работы состоит в более точном прогнозировании предельного формоизменения заготовки в конкретном процессе листовой штамповки, что повышает технологичность конструкции детали.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях в следующих организациях:

Год Организация Наименование конференции, семинара

2006 МГТУ им. Н.Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXX академические чтения. Секция № 19.

2006 МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии». Секция № 3.1.

2006 МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «XXXII Гагаринские чтения». Секция № 5.

2007 МГТУ им. Н.Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXI академические чтения. Секция № 19.

2007 МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «XXXIII Гагаринские чтения». Секция № 5.

2008 МГТУ им. Н.Э. Баумана Актуальные проблемы российской космонавтики. XXXII академические чтения. Секция № 19.

2008 МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Международная молодежная научная конференция «ХХХ1У Гагаринские чтения». Секция № 5.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 10 работах, в том числе в 3 научных статьях и 7 тезисах докладов.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу.

Все основные положения труда, включая теоретические, экспериментальные исследования и программно-расчетные работы выполнены соискателем лично.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, общих выводов, списка литературы и материалов приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 61 наименования.

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Гермези Масуд

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований установлено следующее.

В производстве деталей летательных аппаратов методами листовой штамповки важное значение имеют методы расчета предельного деформирования заготовки. От возможностей формоизменения заготовки в конкретной операции зависит в целом проектирование технологического процесса, определяются необходимые переходы и операции, технологическая оснастка, инструмент и оборудование. Расчеты предельных деформаций с использованием известных критериев еще далеки от совершенства, часто дают несогласующиеся и, как правило, завышенные с практикой результаты.

В работе проведено исследование, направленное на совершенствование методов расчета предельных деформаций путем уточнения расчетных моделей и параметров, характеризующих механические свойства материала исходной заготовки и форму получаемой детали. Разработанные с использованием нового подхода уточненные расчетные модели (энергетические, кинематические и по моменту возникновения трещины) позволили до двух раз уменьшить разброс прогнозируемых значений предельных деформаций.

Разработанная модель предельного формоизменения на примере операции формовки дала возможность дополнительно учесть ряд технологических факторов (разнотолщинность, трение и др.), влияющих на предельную высоту получаемой детали.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретические расчеты. Погрешность в расчетах деформаций обычно не более 10%, в расчетах напряжений - до 20%.

В конечном итоге разработанные усовершенствованные методы расчета предельных деформаций существенно повысили точность прогноза предельной степени формоизменения заготовки в конкретной операции, что дает возможность повысить качество проектирования технологических процессов и, соответственно, качество получаемых деталей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гермези Масуд, 2008 год

1. Технология самолетостроения / A.JI. Абибов, Н.М. Бирюков, В.В. Бойцов и др. -М.: Машиностроение, 1970. 600 с.

2. Горбунов М.Н.Основы технологии производства самолетов. -М.: Машиностроение, 1976.-258 с.

3. Технологичность конструкции изделия / Под ред. Ю.Д. Амирова, -М.: Машиностроение, 1990.-768 с.

4. Колганов И.М., Дубровсий П.В., Архипов А.Н. Технологичность авиационных конструкций. Уляновск, 2003 148 с.

5. Листовая штамповка. Расчет технологических параметров. Справочник / Под ред. В.И. Ершова и А.С. Чумадина. М.: Изд-во МАИ, 1999. - 516 с.

6. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1981. - 224 с.

7. Ершов В.И. Штамп для изготовления листовых деталей с малым радиусом // Химическое и нефтяное машиностроение. 1978. №2, стр. 26-28.

8. Ершов В.И., Глазков В.И., Каширин М.Ф. Совершенствование формоизменяющих операций листовой штамповки. -М.: Машиностроение, 1990. -312 с.

9. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1971.-782 с.

10. Современные технологии авиастроения / Под ред. А.Г. Братухина и Ю.Л. Иванова. М.: Машиностроение, 1999. - 832 с.

11. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машиностроение, 1967. -367 с.

12. Основы технологии производства летательных аппаратов. Учебное пособие / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, В.А. Барвинок и др. М.: Наука и технологии, 2005. - 912 с.

13. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. Л.: Машиностроение, 1980. - 432 с.

14. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. Учебник для вузов. М.: Изд-во ИГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 480 с.

15. Комаров А.Д. Штамповка листовых и трубчатых деталей полиуретаном. Л.: ЛДНТП, 1975. -36 с.

16. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ. -М.: Машиностроение, 1986. -192 с.

17. Горбунов М.Н. Штамповка деталей из трубчатых заготовок. -М.: Машгиз, 1960. -190 с.

18. Приоритеты авиационных технологий: в 2-х кн. / науч. ред. А.Г. Братухин. М.: Изд-во МАИ, 2004. -Кн. 1 - 696 е., -Кн. 2 - 640 с.

19. Попов О.В. Изготовление цельноштампованных тонкостенных деталей переменного сечения. М.: Машиностроение, 1974. 120 с.

20. Катков В.Ф. Оборудование и средства автоматизации заготовительно-штамповочных цехов. -М.: Машиностроение, 1985. 384 с.

21. Чумадин А.С., Чивикина Г.И. Расчет силовых параметров при подсечке профилей. Кузнечно-пггамповочное производство, № 2, 1997.

22. Нарышкин А.А. Малковка профилей // Новое в технологии штамповки: Труды МАТИ, 1966, №65.

23. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971. 232 с.

24. Теоретические основы технологии ракетостроения: учебное пособие / Под ред. В.А. Тарасова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 352 с.

25. Бекофен В. Процессы деформации. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1977.-288 с.

26. Гидропластическая обработка металлов // Под ред. Богоявленского К.Н. и Рябинина А.Г. Л.: Машиностроение, София: Техника, 1988. 256 с.

27. Смирнов О.М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.

28. Интенсификация технологических процессов в ультразвуковом поле / Сб. трудов МИСиС. Под ред. Полухина П.И., М.: Металлургия, 1986. -160 с.

29. Пашкевич А.Г., Орехов А.В., Горленко A.M. Скоростные условия нагружения при обжиме и раздаче труб в режиме сверхпластичности / Известия ВУЗов. Авиационная техника, № 4 , 1986, с. 123-126.

30. Интенсификация формообразования деталей из трубчатых заготовок / Под ред. Марьина Б.Н., Иванова Ю.Л., Сапожникова В.М., М.: Машиностроение, 1996. -176 с.

31. Аверкиев А.Ю. Методы оценки пггампуемости листового металла. М.: Машиностроение, 1985. -176 с.

32. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник / Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

33. Peng К., TanH., GuoZ. Some new results in experimental study of FLD. "Sheet Metal Industries", January, 1987, p. 28-30.

34. Катков В.Ф., Шумакова JI.C. Об определении минимального радиуса изгиба по результатам испытаний на одноосное растяжение // Кузнечно-штамповочное производство, № 6,1967, с.30-33.

35. Глазков В.И. Возможности формоизменения при раздаче и отбортовке // Кузнечно-штамповочное производство, № 7, 1972, с. 28-29.

36. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986-688 с.

37. Sachs G., Lubahn I.D. Failure of ductile metals in tension. TRANS. ASME, vol. 68, № 4, May, 1946, p. 271-276.

38. Томленов А.Д. Механика процессов обработки металлов давлением. М.: ГНТИМЛ, 1963.-236 с.

39. Swift H.W. Plastic instability under plane stress. "Journal of the Mechanical and Physics of Solids. Vol.1, 1952, p. 1-18.

40. Korhonen A.S. On the theories of sheet metal necking and forming limits. "Journal of Engineering Materials and Technology", July, 1978, vol. 100, p. 303-309.

41. Дель Г.Д. Технологическая механика. M.: Машиностроение, 1978. - 174 с.

42. Малинин Н.Н. Устойчивость двухосного пластического растяжения анизотропных листов и цилиндрических оболочек. «Известия АН СССР. Механика твердого тела», 1971, №2, с. 115-118.

43. Storakes В. Plastic and visko-plastic instability of a thin tube under internal pressure, torsion and axial tension. JJVS. 1968, Vol 10, № 6, p. 510-529.

44. Hill R. On discontinuous plastic states with special reference to localized necking in thin sheet. "Journal of the Mech. and Phys. Solid", vol. 1, 1952, p. 19-30.

45. Marciniak Z., Kuczynski K. Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal. "International Journal of Mechanical Science", vol. 9, 1967, p. 609-620.

46. Z. Marciniak, J.L. Duncan, S.J.Hu. Mechanics of sheet metal forming. Butterworth-Heinemann. 2002 212p.

47. Матвеев А.Д. Предельное пластическое формоизменение цилиндрической оболочки со стенкой непостоянной толщины при растяжении гидростатическим давлением // Известия ВУЗов, Машиностроение, № 6, 1968, с. 201-207.

48. Hosford W.F., Caddell R.M. Metal forming: mechanics and metallurgy. Printice-Hall, Inc., 1983,330 р.

49. Чумадин A.C. Об одном подходе к расчету предельного деформирования при листовой штамповке. "Кузнечно-штамповочное производство", №6, 1990, с. 10-13.

50. Чумадин А.С. Методы расчета предельных деформаций в операциях листовой штамповки. Учебное пособие. М.: Изд-во МАТИ, 2002. - 53 с.

51. Избранные главы по авиа- и ракетостроению. Учебное пособие / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, В.А. Барвинок и др. М.: Наука и технологии, 2005. - 656 с.

52. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., "Высшая школа", 1961, 538 с.

53. Ильюшин А.А. Пластичность. М,- Л. ГИТТЛ. 1948, - 376 с.

54. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М., "Машиностроение", 1977, 423 с.

55. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.,"Машиностроение", 1977. - 278 с.

56. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., "Машиностроение", 1975, 278 с.

57. Смирнов-Аляев Г.А., Розенберг В.М. Теория пластических деформаций металлов. М.-Л. ГНТИМЛ, 1956, 368 с.

58. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М., ГИТТЛ.,1956, - 407 с.

59. Чумадин А.С. Методы построения и аппроксимации кривых упрочнения металлов и сплавов. Учеб. пособие. -М. МАТИ, 2001. -43 с.

60. Чумадин А.С., Гермези М. Совершенствование расчетов предельных деформаций при штамповке листовых заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. № 1, 2008. стр. 15-18.

61. Гермези М. Предельные возможности формовки листовых заготовок по энергетическому критерию // Авиационная промышленность. № 1, 2008. стр. 44-46.