Совершенствование процесса формообразования листовых деталей двойной кривизны на дробеметных установках контактного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Пашков Александр Андреевич

• Пашков Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Пашков Александр Андреевич

Введение

1 Теория и практика дробеударного формообразования обводообразующих деталей сложной формы

1.1 Конструктивно - технологические особенности длинномерных обводообразующих деталей

1.2 Технология и оборудование для дробеударного формообразования

1.3 Теоретические и экспериментальные исследования технологического процесса дробеударного формообразования

1.4 Постановка целей и задач исследования

2. Внутренние силовые факторы процесса обработки дробеметным аппаратом контактного типа

2.1 Общие положения

2.2 Исследование микрорельефа поверхности, обработанной дробеметным аппаратом контактного типа

2.3 Моделирование процесса обработки дробеметным аппаратом контактного типа

2.4 Определение начальных напряжений и внутренних силовых факторов процесса

2.5 Экспериментальная проверка результатов моделирования

Выводы по главе

3 Напряженно - деформированное состояние листовых деталей при дробеударном формообразовании на установках контактного типа

3.1 Общие положения

3.2 Оценка влияния условий закрепления на формоизменение листовой детали при дробеударной обработке на установках контактного типа

3.3 Оценка влияния напряженно-деформированного состояния

обрабатываемой детали на внутренние силовые факторы процесса

дробеударного формообразования на установках контактного типа

3.4 Экспериментальная проверка результатов моделирования

Выводы по главе

4. Практическая реализация технологии дробеударного

формообразования на установках контактного типа

4.1. Основные этапы технологического процесса

4.2 Расчет параметров процесса дробеударного формообразования

4.2.1. Методика расчета внутренних силовых факторов процесса

4.2.2 Методика расчета режимных параметров процесса

4.3 Экспериментальная проверка разработанной методики

4.3.1 Подготовка образцов

4.3.2 Разработка опытного образца автоматизированной системы контроля формы детали

4.3.3 Обработка и измерение образцов

4.4. Совершенствование конструкции установок для дробеударного

формообразования контактного типа с программным управлением

4.4.1. Разработка автоматизированной системы фиксации заготовок

4.4.2. Совершенствование конструкции дробеметного аппарата

контактного типа

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса формообразования листовых деталей двойной кривизны на дробеметных установках контактного типа»

Введение

В современном машиностроении в качестве обводообразующих деталей широко применяются крупногабаритные обшивки сложной формы. Применение деталей данных типов обусловлено требованиями к прочности и жесткости конструкции. Геометрические параметры обшивок являются переменными величинами, закон изменения которых определяется теоретическим контуром изделия. Форма поверхности данных деталей характеризуется кривизной в продольном и поперечном направлениях, а также углами закручивания сечений.

Эффективным способом получения поверхностей двойной кривизны является дробеударное формообразование (ДУФ). Данная технология известна с 50-х годов прошлого века и получала развитие, прежде всего за рубежом, где сознан ряд автоматизированных дробеметных и дробеструйных установок для ДУФ и поверхностного упрочнения длинномерных панелей и обшивок, представляющих собой рабочие камеры проходного типа. Формообразование деталей двойной кривизны на таких установках представляет длительный многошаговый процесс, требует существенных затрат на подготовку производства и не обеспечивает достижения требуемой точности. Для окончательной доводки формы деталей применяется обработка с применением ручных дробеструйных установок и набора контрольной оснастки.

Российской альтернативой зарубежным решениям является комбинированная технология формообразования, разработанная ИРНИТУ, главным преимуществом которой является разделение процесса формообразования на последовательность легко управляемых и контролируемых операций. Продольная кривизна в данном способе образуется методами гибки (гибка-прокатка, гибка в передвижку), а поперечная - методом ДУФ на дробеметной установке контактного типа. Для реализации технологии разработан комплекс опытно-промышленного оборудования с программным управлением.

На сегодняшний день отечественная технология и оборудование для реализации процесса ДУФ апробированы и внедрены в производство при ручном режиме управления. Разработана методика определения внутренних силовых факторов и назначения режимных параметров процесса ДУФ на основе 3О модели детали, построенной в СЛО-системе. В виду недостаточной точности данной методики программная операция процесса ДУФ обеспечивает достижение 70-80 % требуемой поперечной кривизны, окончательная доводка контура деталей выполняется вручную с промежуточным контролем шаблонами контура сечения. Наибольшую сложность и трудоемкость представляет процесс формообразования участков деталей двойной кривизны в связи с их высокой жесткостью, обусловленной наличием кривизны в продольном направлении.

Для повышения эффективности технологии ДУФ на установках контактного типа и обеспечения заданных в конструкторской документации параметров качества обрабатываемых деталей необходимо: повысить точность расчета внутренних силовых факторов процесса ДУФ - удельной растягивающей силы и координаты точки ее приложения (расстояния от поверхности), зависящих от режимов обработки и определяющих формоизменение заготовки; разработать методику расчета параметров процесса, позволяющую повысить степень соответствия теоретическому контуру формы детали, получаемой в результате ДУФ; обеспечить условия для автоматизации операции окончательного формообразования детали; разработать технологические приемы, направленные на повышение производительности формообразования участков двойной кривизны; решить ряд технических вопросов по автоматизации вспомогательных операций, значительно увеличивающих трудоемкость; принять меры по обеспечению стабильности процесса дробеударной обработки при реализации управляющей программы.

Актуальность темы исследования определяется высокими требованиями к точности листовых деталей сложной формы типа крупногабаритных обшивок из алюминиевых сплавов с областью двойной кривизны. Перспективной экономически эффективной отечественной разработкой является комбинированная технология формообразования крупногабаритных обводообразующих деталей, включаю-

щая операции упругопластической гибки и ДУФ на установках контактного типа. Технология и разработанные опытно-промышленные образцы оборудования прошли апробацию в производстве, однако нерешенным остается ряд вопросов. Важным условием обеспечения качества деталей является повышение точности расчета режимных параметров ДУФ с учетом специфики процесса обработки дробеметными аппаратами контактного типа (ДАКТ), с хаотичным характером потока рабочей среды (шариков). Дополнительного изучения требует влияние технологического наследования при формировании напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки. Необходима разработка эффективных технологических приемов формообразования участков обшивок двойной кривизны, обработка которых представляет наибольшую трудоемкость из-за высокой жесткости. Требуется автоматизация операций контроля контура, доводочной обработки детали, а также монтажных работ, которые на сегодняшний день выполняются вручную, что снижает эффективность процесса. Для перехода на программный режим управления оборудованием должны быть приняты дополнительные меры по обеспечению стабильности процесса ДУФ.

Исходя из вышеизложенного, была сформулирована цель диссертационной работы: повышение эффективности производства длинномерных обшивок двойной кривизны на основе управления напряженно-деформированным состоянием и формой деталей при автоматизированном выполнении технологического процесса дробеударного формообразования на установках контактного типа.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи.

1) Разработать методику расчета внутренних силовых факторов ДУФ -удельной растягивающей внутренней силы и координаты точки её приложения (расстояния от поверхности), возникающих при обработке на установках контактного типа на основе результатов конечно-элементного моделирования процесса множественного внедрения в заготовку шариков, имеющих различные по величине и направлению векторы скорости.

2) Теоретически обосновать

- влияние наследственных остаточных напряжений и монтажных напряжений на внутренние силовые факторы процесса ДУФ на установках контактного типа;

- возможность интенсификации процесса ДУФ участков деталей двойной кривизны за счет управления формой заготовки при закреплении на обработку.

3) Разработать методику расчета технологических параметров процесса ДУФ, включающего управляемые операции закрепления, предварительной и доводочной обработки с учетом технологического наследования НДС заготовки и результатов контроля ее промежуточной формы.

4) Разработать технические решения, направленные на повышение производительности и стабильности процесса ДУФ на установках контактного типа с ЧПУ.

Представленная диссертация содержит результаты научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, направленных на создание цифровой технологии ДУФ листовых деталей двойной кривизны с применением установок контактного типа и включающих раскрытие и математическое описание закономерностей формирования НДС поверхностного слоя при обработке дробеметными аппаратами с внутренней системой циркуляции дроби; влияния технологической наследственности при формировании НДС листовых деталей двойной кривизны в последовательности операций «упругопла-стическая гибка - закрепление - ДУФ на установках контактного типа»; разработку технологических методов ДУФ участков деталей двойной кривизны, обеспечивающих интенсификацию процесса формоизменения заготовки за счет управления ее формой при закреплении; создание методики, программного и аппаратного обеспечения для реализации программной операции окончательного формообразования детали; разработку автоматизированных систем фиксации деталей и обеспечения стабильности потока дроби на дробеметных установках контактного типа.

Объектом исследования являются крупногабаритные обводообразующие детали типа обшивок сложной формы, применяемые в самолетостроении, ракетостроении и судостроении.

Предметом исследования является технологический процесс комбинированного формообразования длинномерных обшивок, реализуемый в последовательности «упругопластическая гибка-ДУФ на дробеметных установках контактного типа».

Методы исследования. Моделирование процессов гибки-прокатки и ДУФ осуществлялось с использованием среды нелинейного конечно-элементного анализа LSTC LS-Dyna Version R10 с генерацией моделей в среде MATLab [46]. Обработка данных моделирования велась с использованием возможностей пост процессора LS-Dyna и программы Microsoft Excel. Достоверность результатов подтверждена экспериментальным исследованием с использованием современных средств измерения: исследование микрорельефа поверхности осуществлялось с помощью оптического профилометра Bruker Contour GT-K1; измерение кривизны образцов производилось цифровыми измерительными головками Mitutoyo Digimatic ID-S; измерение остаточных напряжений выполнялось механическим методом удаления слоев с использованием исследовательского комплекса ИРНИТУ на базе установки УДИОН-2.

Научная новизна работы

1. Построена конечно-элементная модель формирования остаточных напряжений от совокупности различных по силе и направлению ударов шариков по заготовке; предложен аналитический метод определения на основе распределения остаточных напряжений удельной растягивающей внутренней силы, связанной с режимами дробеударного формообразования, и координаты точки ее приложения (расстояния от обрабатываемой поверхности) (п. 3 паспорта специальности 05.02.08).

2. Выявлены закономерности влияния технологической наследственности в последовательности операций «упругопластическая гибка - закрепление - дробе-ударное формообразование на установках контактного типа» на величины внут-

ренних силовых факторов, определяющих режимы дробеобработки для получения требуемой формы детали (п. 6 паспорта специальности 05.02.08).

3. Предложена концепция автоматизированного управления формой листовой детали двойной кривизны упругим поэтапным деформированием в продольном направлении при дробеударном формообразовании, режимы которого определяются учетом технологического наследования напряженно-деформированного состояния заготовки и результатов контроля ее промежуточной формы (п. 2 паспорта специальности 05.02.08).

Теоретическая и практическая значимость работы. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета технологических параметров процесса ДУФ деталей двойной кривизны, включающего управляемые операции закрепления, предварительного формообразования и доводочной обработки с учетом технологического наследования и результатов контроля промежуточной формы заготовки.

Достоверность результатов подтверждена экспериментальным исследованием по реализации процесса ДУФ конструктивно-подобных образцов (КПО) деталей типа обшивок двойной кривизны на установке контактного типа, впервые выполненным с программным управлением на операциях как предварительной, так и окончательной обработки с промежуточным автоматизированным контролем формы КПО при помощи разработанного опытного образца устройства для измерения кривизны поверхности.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном молодежном форуме « Будущее авиации и космонавтики за молодой Россией» в рамках Международного авиационно-космического салона МАКС-2015 (г. Жуковский, ВК «Россия», 26 августа 2015 г.); пятой научно-практической конференции «Молодежь. Проекты. Идеи» (г. Иркутск, Иркутский авиационный завод - филиал ПАО «Корпорация «ИРКУТ», 17 ноября 2016 г.); десятой Международной научно-технической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, ФГБОУ ВО "Иркутский национальный исследовательский технический университет" 21 мая 2018 г.)

Результаты работы отражены в 11 публикациях. В журналах рекомендуемого ВАК перечня опубликовано 5 статей, в международных изданиях, включенных в Web of Science - 1 статья. Получен патент РФ на полезную модель.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе приведены конструктивные особенности рассматриваемых деталей, и анализ их геометрической формы. Рассмотрены существующие способы формообразования деталей типа длинномерных панелей и обшивок с описанием применяемого оборудования. Представлены особенности процесса формообразования деталей, имеющих участок двойной кривизны (перегиб) в отечественной и зарубежной промышленности, а также особенности комбинированных методов формообразования. Выполнен обзор публикаций, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса ДУФ. Сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию и моделированию процесса формирования НДС и внутренних силовых факторов при обработке дробеметным аппаратом контактного типа (ДАКТ). Представлена разработанная методика исследования микрорельефа обработанной шариками поверхности с использованием 3-D оптического профилометра. Приведены результаты экспериментальных исследований особенностей микрорельефа зоны обработки дробеметного аппарата 3Д400М. Данные результаты использованы при дальнейшем моделировании с использованием метода конечных элементов (МКЭ) процесса обработки ДАКТ, для которого характерно хаотичное внедрение в деталь шариков, имеющих различные по величине и направлению векторы скорости. Разработана методика определения начальных напряжений и внутренних силовых факторов процесса ДУФ на основе распределения остаточных напряжений, найденного в результате моделирования. Проведены экспериментальные исследования:

- по сопоставлению компонент остаточных напряжений полученных по разработанной методике и с применением исследовательского комплекса ИРНИТУ для измерения остаточных напряжений механическими методом удаления слоев на базе установки УДИОН-2;

- по обработке натурных образцов с целью сравнения стрел прогиба с расчетными данными, полученными с использованием известных зависимостей теории упругости.

В третьей главе с применением МКЭ исследовано влияние условий закрепления и исходного НДС на внутренние силовые факторы и формоизменение листовой детали при ДУФ на установках контактного типа. Изучены возможности повышения производительности процесса на основе управления продольной кривизной детали в процессе ДУФ. Приведены результаты экспериментального исследования процесса ДУФ деталей, предварительно подвергнутых гибке и упругому деформированию при закреплении на обработку, показавшие адекватность разработанных моделей.

В четвертой главе представлена практическая реализация результатов исследования. Разработана методика определения технологических параметров процесса ДУФ длинномерных деталей с помощью средств САПР и назначения режимов доводочных операций по результатам промежуточного контроля формы деталей при ДУФ. Описана разработанная автоматизированная система контроля формы деталей и система фиксации деталей на установке УДФ-4 модернизированная с учетом специфических технологических требований. Предложено конструктивное решение системы фиксации деталей на установке УДФ-4 и разработано решение автоматизированной системы поддержания уровня дроби, необходимого для стабильной работы дробеметного колеса.

По результатам проделанных работ автор выносит на защиту:

1. Методику определения связанных с режимами обработки внутренних силовых факторов процесса ДУФ - удельной растягивающей внутренней силы и координаты точки её приложения (расстояния от поверхности) на основе распределения остаточных напряжений, полученного конечно-элементным моделированием процесса множественного внедрения в заготовку шариков, имеющих различные по величине и направлению векторы скорости.

2. Результаты численного и экспериментального исследования закономерностей формирования НДС листовых деталей двойной кривизны при ДУФ на

установках контактного типа с оценкой влияния размеров, исходной формы, остаточного напряженного состояния и условий закрепления заготовки, на основании которых доказана возможность снижения интенсивности обработки и повышения производительности процесса при помощи управления продольной кривизной заготовки при закреплении на обработку.

3. Методику расчета режимных параметров технологического процесса ДУФ деталей двойной кривизны, включающего операции предварительной обработки, выполняемой с учетом влияния исходного НДС и управлением формой заготовки при закреплении и окончательной обработки, режимы которой определяются на основе результатов контроля промежуточной формы заготовки.

4. Результаты экспериментальных исследований, направленных на подтверждение адекватности разработанных методик определения внутренних силовых факторов процесса ДУФ и параметров технологической последовательности «упругопластическая гибка - закрепление - ДУФ на установках контактного типа».

5. Конструктивные решения автоматизированных систем установок для ДУФ контактного типа, обеспечивающих повышение производительности и стабильности технологического процесса и предназначенные для:

- фиксации и управления формой заготовок;

- контроля формы поперечных сечений заготовок;

- поддержания требуемого уровня рабочей среды (шариков) в ДАКТ для обеспечения стабильности процесса программной обработки.

Диссертация подготовлена на кафедре технологии и оборудования машиностроительных производств Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский национальный исследовательский технический университет».

Структура и объем работы. Диссертация имеет введение, четыре главы, заключение, список литературы насчитывающий 121 источник и три приложения. Работа содержит 19 таблиц и 100 рисунков. Общий объем работы 166 страниц.

1. Теория и практика дробеударного формообразования обводообразующих деталей сложной формы

1.1 Конструктивно - технологические особенности длинномерных

обводообразующих деталей

Длина обводообразующих деталей, используемых в конструкциях современных изделий самолето-, ракето- и судостроения, может достигать несколько десятков метров, а форма представляет сочетание линейчатых поверхностей с участками двойной знакопостоянной и знакопеременной кривизны (см. рисунок 1.1). Размерные параметры показанных на рисунке деталей приведены в таблице 1.1.

Рисунок 1.1 - Распределения радиусов кривизны обшивки

Таблица 1.1 - Размерные параметры обшивок, показанных на рисунке 1. 1

Номер детали Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм

шах тт

1 12946 1306 284 3,0...6,0

2 12946 1405 449

3 9742 1006 161 3,0...10,0

4 12665 865 719 3,0.12,0

5 7190 973 193 3,0.10,0

Изменение минимальных значений радиуса кривизны по сечениям деталей, показанных на рисунке 1.1, приведено на рисунках 1.2-1.3.

-10000

-20000

^ -30000 .0 I т

£ -40000 со

-50000

0

1

£ -60000 о Ч о

-70000

о >

-80000

го о.

-90000

-100000

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Длина детали, мм

Рисунок 1.2 - Изменение минимального радиуса продольной кривизны обшивок, показанных на рисунке 1. 1

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

верхние обшивки нижние обшивки -

1000 2000 3000 4000 5000 Длина детали, мм

6000

7000

8000

Рисунок 1.3 - Изменение минимального радиуса поперечной кривизны обшивок, показанных на рисунке 1. 1

0

0

Заготовками для изготовления обшивок служат листы или плиты из высокопрочных алюминиевых сплавов, особенностью которых являются повышенная чувствительность к повторным нагрузкам и концентрации напряжений. Это определяет выбор конструктивных форм с большой плавностью переходов при изменении сечений, малыми перепадами жесткости и т.д. [53].

Важнейшим показателем качества обводообразующих деталей является точность пространственной формы, представляющая степень соответствия контура реальной детали теоретическому контуру изделия. Для листовых деталей допустимые отклонения от теоретического контура лежат в пределах 0,4... 1,0 мм.

1.2 Технология и оборудование для дробеударного формообразования

Основными технологиями формообразования длинномерных обшивок являются свободная гибка на прессовом оборудовании, гибка-прокатка на трех и че-тырехвалковых листогибочных машинных, гибка с растяжением на обтяжных прессах или специальных роботах, метод свободного дробеударного формообра-

зования (ДУФ), двусторонней дробеобработки или ДУФ при упругом заневолива-нии [1, 31, 111]. Также необходимо отметить способы формообразования старением или формообразование в режиме ползучести применяемое для обработки крупногабаритных панелей, имеющих резкие перепады по толщине [43], лазерное формообразование деталей большой толщины, и ультразвуковое формообразование небольших деталей, где дробь разгоняется при помощи механических импульсов, вызванных ультразвуковой волной [47].

Технологическими преимуществами метода ДУФ являются распределенный характер нагружения, полное отсутствие эффекта частичного упругого восстановления исходной формы и возможность регулирования интенсивности воздействия. Этим обусловлена возможность достижения высокой точности формообразования наряду с увеличением производительности процесса и сопутствующим эффектом упрочнения, повышающего усталостную прочность и долговечность деталей [3, 4, 18].

Свободное ДУФ, как основную технологическую операцию применяют для монолитных ребристых панелей, для которых поверхность, близкая к цилиндрической, может быть получена, когда жесткость оребрения значительно больше жесткости полотна. Детали типа обшивок, не имеющие силового набора, при такой обработке приобретают бочкообразную форму. Для получения заданной формы у данных деталей применяют такие технологические приемы, как обработка с заневоливанием, которая позволяет увеличить кривизну в направлении предварительного упругого изгиба, а также двухстороннюю дробеобработку в свободном состоянии. Двусторонняя дробеобработка реализуется по схеме Тейлора и позволяет получать поверхности двойной кривизны посредством сочетания двух видов дробеобработки. Схема Телора представляет собой сочетание двух видов дробео-бработки: обработка дробью лицевой (аэродинамической) поверхности детали с целью получения поперечной кривизны, при этом продольную кривизну формируют высокоинтенсивной двухсторонней дробеобработкой кромок [50].

Технология ДУФ представлена как за рубежом так и в отечественной промышленности. За рубежом, метод ДУФ применяется для формообразования

крупногабаритных обводообразующих деталей с 50-х годов прошлого века. Ведущими организациями, специализирующимися на разработке оборудования и технологии ДУФ являются:

- США: Metal Improvement Company, Wheelabrator, Aerostructures - Vought Aircraft Division;

- Канада: Sonaca Group, Aerosphere Inc., NMF Formax Ltd;

- Германия: Rosler, KSA (Kugelstrahlzentrum Aachen).

Ниже приведен обзор и развитие зарубежных технологий дробеударного формообразования.

Технология ДУФ (peen forming) была изобретена в Германии в конце второй мировой войны, а сразу после войны была вывезена в США, где была засекречена и запатентована [80].

В 1982 в США был зарегистрирован способ формообразования листовых деталей сложных контуров, включающий следующие операции:

- дробеударное формообразование, в котором деталь последовательно обрабатывается дробью с двух сторон для получения продольной кривизны, затем с одной (наружной) стороны для получения поперечной кривизны;

- зачистка поверхностей, обработанных дробью в случае ухудшения их шероховатости и поверхностного упрочнения путем двухсторонней обработки деталей дробью.

Режимы обработки участков детали определяются на основе банков данных, содержащих зависимости удлинений обрабатываемых с двух сторон образцов и поперечной кривизны обрабатываемых с одной стороны образцов, аналогичных по толщине и материалу обрабатываемой детали, от интенсивности обработки дробью [70].

Способ придания простого контура деталям типа обшивок, опубликованные в 1987 году, основан на дробеударной обработке деталей, транспортируемых через рабочую камеру. Обработка осуществляется узкими полосами по размаху по общим процентным линиям хорд. Таким образом создается кривизна деталей по

хорде и минимизируется эффект образования двойной кривизны, характерный для обработки сферической дробью [68].

Формообразование перегиба за рубежом осуществляют при помощи прессового оборудования фирм «Verson-LCM», «Hammerly», «Sheridan-Grey» и др. [69,111], предназначенного для последовательного формообразования панелей в программном режиме.

Технологическая линия Boeing для дробеударного формообразования включает две дробемётные установки для обработки панелей размером до 36000x3700 мм, первая из которых предназначена для получения продольной кривизны двухсторонней обработкой кромок дробью диаметром 3,2 мм и оснащена четырьмя подвижными дробемётными аппаратами (по два с каждой стороны). На второй выполняется обработка наружной поверхности панели дробью диаметром 1,12 мм. Для этой цели используются 12 стационарных дробемётных аппаратов (по 6 с каждой стороны для формообразования панелей левых и правых частей крыла) [54].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пашков Александр Андреевич, 2018 год

И - И

упр пл

а -а

а

(2.7)

Из (2.7) следуют выражения для определения параметров эпюры 2 упругих напряжений (см. рисунок рис. 2.3).

а

УпР П

а

1 +

И

Иупр Ипл J

(2.8)

УпР

С7

К - Кпл

Купр Кпл у

(2.9)

Таким образом, получаем выражения для определения параметров распределения начальных напряжений на основе известной эпюры остаточных напряжений, образовавшихся при внедрении шарика в упругопластическое полупространство.

I ~-Упр —о >

г и Л 1 + Кпл

Купр Кпл у

—.о . ~-Упр

\ - К - Кпл Л

К - К

упр пл у

(2.10)

(2.11)

Аппроксимацию распределения начальных напряжений а" представим в виде (см. рисунок 2.18).

Для нахождения на основе параметров аппроксимации распределения начальных напряжений их интегрального значения - удельной внутренней силы Руд

и координаты (расстояние от поверхности) zc точки ее приложения используем следующие выражения [53].

Рисунок 2.18 - Параметры распределения начальных напряжений от внедрения дробинки

Р =-\{а"пК + а:Ит ); (2.12)

а"пИ2 +а: (3И - 2Иа + И2т)

2 _—-^—:--. (2.13)

с 3(а^И: +а"Ипл) 4 '

Выражения (2.10-2.13) позволяют определить внутренние силовые факторы ДУФ на основе параметров эпюры остаточных напряжений, полученных в результате конечно-элементным моделированием процесса.

2.5 Экспериментальная проверка результатов моделирования

Экспериментальная проверка полученных распределений осуществлялась с использованием механического метода определения остаточных напряжений (метода полосок) по методике, разработанной лабораторией исследования остаточных напряжений и деформаций ИРНИТУ

Для определения ТОН в образцах механическим методом используется установка для измерения остаточных напряжения УДИОН-2, разработанная ИрГТУ (рисунок 2.19).

Установка УДИОН-2 состоит из следующих компонентов (см. рисунок 2.17): 1 - скруббер; 2 - приспособление для закрепления образцов; 3 - кронштейны для приспособлений; 4 - вытяжной шкаф; 5 - ванна с раствором для травления; 6 - термостатирующая ванна; 7 - устройство подъема ванн; 8 - тензометри-ческие модули системы сбора данных; 9 - блок питания.

Рисунок 2.19 - Исследовательский комплекс ИРНИТУ для измерения ТОН механическими методом удаления слоев (установка УДИОН-2)

Опытные работы проводились в следующей последовательности.

1) После обработки образцов на установке УДФ-4 из них вырезались пластины размерами 55*75 мм. Идентификация образцов производилась по номеру, нанесенному на необработанную поверхность образца.

2) Производилось удаление припуска с необработанной стороны образца с целью получения пластины толщиной 2,6 мм. Обработка производилась на вертикально-фрезерном станке DMC 635У торцевой фрезой R590-063 Sandvik Coromant

(см. рисунок 2.20) в приспособлении, к которому пластины крепились винтами М5 (см. рисунок 2.21а). Предварительное сверление пластин под резьбу осуществлялось по кондуктору (см. рисунок 2.216)

Рисунок 2.20 - Предварительная обработка исходных образцов на обрабатывающем центре DMC 635У

а) б)

Рисунок 2. 21 - Приспособление для предварительной обработки исходных образцов (а); накладной кондуктор (б)

3) На универсальном горизонтально-фрезерном станке с помощью дисковой отрезной фрезы 63x48x1 тип 2 Р6М5 выполнялась вырезка образцов-полосок размерами в плане 55x10 мм из (см. рисунок 2.22). С помощью мелкозернистого

надфиля удалялись заусенцы.

Рисунок 2.22 - Вырезка образцов-полосок из пластины

4) На необработанную сторону полученных пластин дублировалась маркировка исходного образца.

5) С помощью микрометра измерялись ширина и толщина, с помощью индикатора часового типа на стойке измерялись исходные стрелы прогиба образцов-полосок.

6) Образцы-полоски обезжиривались ацетоном и взвешивались на цифровых аналитических весах с точностью до 0,002 г.

8) К верхней части образца-полоски крепился двуплечий рычаг, предназначенный для передачи деформации на тензометрический датчик, нижняя часть образца устанавливалась в приспособление для закрепления образцов. Поверхность приспособления, контактирующая с раствором, защищалась парафиновой плёнкой, включая образец-полоску и основание двуплечего рычага. Приспособление с образцами (до 4 шт.) устанавливалось в вытяжном шкафу установки УДИОН-2 над ванной с раствором (см. рисунки 2.19, 2.23).

9) После выполнения подготовительных операций осуществлялось травление образца: включалась вентиляция, активизировалась системы сбора данных, поднимался стол подъёмного механизма с ванной до полного погружения образца был в раствор. В процессе послойного химического травления материала исследуемой поверхности образцов производилась запись перемещения контрольной точки тензометрического датчика в режиме реального времени.

Кронштейн для монтажа приспособления с образцом в вытяжном шкафу

Приспособление с технологическим образцом, двуплечим рычагом и тензометрическим датчиком

Кабель тензометрического датчика для подключения к кроссировочной плате системы сбора данных

Ванна с раствором, установленная на столе подъёмного механизма

Рисунок 2.23 - Установка приспособления для закрепления образцов в вытяжном шкафу установки УДИОН-2

10) По завершении травления образцы-полоски демонтировались (см. рисунок 2.24), с их поверхности удалялось изоляционное покрытие, образцы промывались, обезжиривались и взвешивались. По разнице масс образца до и после проведения эксперимента рассчитывалась скорость травления образца.

11) Расчёт остаточных напряжений производился с помощью программы расчёта остаточных напряжений механическим методом, разработанной ИРНИТУ [74]. По полученным расчётным данным строилась эпюра остаточных напряжений в образце.

Рисунок 2.24 - Образцы полоски после травления

На рисунках 2.25 - 2.27 показаны эпюры полученные методом полосок (обозначены номерами 1 - 3) и эпюры, полученные по результатам моделирования (обозначены номерами 1' - 3') . Параметры расчетных и экспериментальных распределений остаточных напряжений приведены в таблице 2.5.

-350

Остаточные напряжения, МПа

-300 -250 -200 -150 -100 -50

50

н (и

03

к

К

В

4 о н

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

^1'

^ 1 5

2 2'

Рисунок 2.25 - Эпюры остаточных нормальных напряжений в образцах, обработанных с ИДА = 600 мин-1: 1, 1' - ^ = 4 с; 2, 2' - ^ = 8 с; 3, 3' - ^ = 12 с

-350

Остаточные напряжения, МПа

-300 -250 -200 -150 -100 -50

50

0, о О, О, О,

0

§ о, s о

к о, § о

н о,

<U .-.'

« и, £

К о

ВО,

Н О,

о, о; о;

1

оо

05 10 15

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 00

—/1 —

\ I р i

\V t \

т \\ \

1 V V ^ ___— 1'

/ /Ч - / ^ Vx

/ / / /

1 / / / 1

3 3 / / N It

2 2' \

ч > A

Л

v

N N®

ч. M s

4,

-s «

Рисунок 2.26 - Эпюры остаточных нормальных напряжений в образцах, обработанных с Ыда = 800 мин-1: 1, 1' - t0 = 4 с; 2, 2' - t0 = 8 с; 3, 3' - t0 = 12 с

-350

Остаточные напряжения, МПа

-300 -250 -200 -150 -100 -50

50

н

(D «

Й

В

ч о Н

00 05 10 15

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 00

^ 1

3 3' _____

2

Рисунок 2.27 - Эпюры остаточных нормальных напряжений в образцах, об-

работанных с Ыда = 1000 мин-1: 1, 1' - t0 = 4 с; 2, 2' - t0 = 8 с; 3, 3' - t0 = 12 с

Таблица 2.5 - Параметры расчетных и экспериментальных эпюр остаточных нормальных напряжений

Кда . мин- , с Модели рование Эксперимент

к «, мм к , мм пл 5 МПа МПа к «, мм к , мм пл МПа МПа

600 4 0,1 0,68 -74,5 -108 0,09 0,73 -85,7 -93,6

8 0,11 0,68 -119,5 -181,9 0,1 0,74 -160,3 -163,4

12 0,11 0,69 -160,5 -225,3 0,11 0,74 -216,2 -220,9

800 4 0,12 0,76 -81,9 -119,8 0,11 0,8 -89,4 -102,8

8 0,12 0,78 -131,1 -191,7 0,11 0,82 -167,2 -184,6

12 0,14 0,82 -187,5 -274,1 0,12 0,86 -256,3 -271,2

1000 4 0,13 0,86 -94,2 -135 0,13 0,9 -94,8 -115,8

8 0,14 0,88 -144,2 -210,8 0,13 0,92 -177,9 -207,7

12 0,15 0,93 -206,1 -287,8 0,14 0,96 -269,3 -306,4

Сравнивая значения распределений, полученных по результатам моделирования и экспериментального исследования, можно сделать вывод, что разработанная методика конечно элементного моделирования множественного внедрения позволяет оценить параметры распределений остаточных напряжений с отклонением, не превышающим 15 % от значений полученных механическим методом. Компонента поверхностных остаточных напряжений имеет отклонения до 25% по сравнению с экспериментальными данными.

Для оценки адекватности методики определения внутренних силовых факторов процесса ДУФ был выполнен расчет стрелы прогиба образцов-пластин размерами 4*110*110 мм из сплава В95пчТ2, использованных при проведении опытных работ (см. раздел 2.2) под действием определенных расчетом внутренних силовых факторов. Расчет производился по формуле

г = (( _2), (2.14)

1 2 КЕН3 (2 с ^ ( )

где / - стрела прогиба образца; Руд, - расчетные значения удельной внутренней силы, вызванная ДУФ и координаты (расстояния от поверхности) точки ее

приложения; I - база измерения прогиба образца, I = 100 мм; Е - модуль упругости; К - коэффициент вида НДС. При двухосном упругом изгибе К = 1,5.

Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Сравнение расчетных и экспериментальных данных по определению стрелы прогиба образцов при ДУФ

Яда> мин- 1 , с Расчет Эксперимент Сравнение

Н/мм мм / J рас 5 мм / , ^ исх ' мм / , ^ изм ' мм /дуф 3"изм 3"исх , мм А/ = /дуф ~ ^рас -100% / J рас

600 4 46,8 0,16 0,19 0,00 0,20 0,20 4,1

8 81,9 0,15 0,34 -0,02 0,35 0,37 9,9

12 104,1 0,15 0,43 0,04 0,51 0,47 9,8

800 4 61,7 0,17 0,25 0,01 0,27 0,26 3,6

8 101,2 0,18 0,41 0,05 0,50 0,45 9,4

12 147,0 0,19 0,59 0,04 0,68 0,64 7,9

1000 4 78,7 0,20 0,31 -0,03 0,26 0,29 7,6

8 126,0 0,20 0,50 0,02 0,57 0,55 9,2

12 179,2 0,21 0,71 0,05 0,83 0,78 9,5

Результаты сравнения позволяют сделать вывод об адекватности методики определения внутренних силовых факторов процесса ДУФ на основании результатов моделирования.

Выводы по главе 2

1. Экспериментально с применением 3D-оптического профилометра Bruker Contour GT-K1, обеспечивающего возможность объемного сканирования микрорельефа поверхности с точностью 0,03 нм, исследована структура зоны обработки ДАКТ.

2. Установлено наличие в зоне обработки отпечатков эллиптического профиля, как в плоскости потока шариков в дробеметном аппарате, так и в перпендикулярном направлении. Предложена методика определения угла наклона траектории шарика на основе геометрических параметров сечений отпечатков из объёмной модели поверхности, полученной при сканировании.

3. Определены количественные характеристики зоны обработки исследуемого дробеметного аппарата 3Д400М в виде фракционного состава отпечатков и диапазона углов наклона траекторий шариков.

4. Моделированием с использованием нелинейного конечно-элементного анализа установлены взаимосвязи микрорельефа и НДС поверхностного слоя при обработке ДАКТ.

5. Предложена методика определения зависимости между скоростью шариков и геометрическими параметрами отпечатков, с помощью которой получено распределение отпечатков по фракциям и скоростям шариков в исследуемом материале при обработке дробеметным аппаратом 3Д400М.

6. Предложена структура конечно-элементной модели процесса ДУФ с применением ДАКТ, имитирующей процесс множественного внедрения в обрабатываемую поверхность шариков, имеющих различные скорости и углы наклона траектории.

7. В результате моделирования получены распределения остаточной деформации и остаточных напряжений в поверхностном слое при обработке при помощи ДАКТ с нарастающей степенью покрытия (временем обработки).

8. Предложена методика определения начальных напряжений и внутренних силовых факторов процесса ДУФ - удельной распределенной внутренней си-

лы и координаты точки её приложения (расстояния от поверхности) на основе формализованной эпюры остаточных напряжений, полученной в результате конечно-элементного моделирования.

9. Экспериментальным исследованием с применением исследовательского комплекса ИРНИТУ для измерения остаточных напряжений механическими методом удаления слоев на базе установки УДИОН-2 показано, что разработанная методика конечно-элементного моделирования множественного внедрения позволяет определять распределения остаточных напряжений с отклонением, не превышающим 15 %.

10. Адекватность предложенной методики определения внутренних силовых факторов процесса ДУФ подтверждена сопоставлением значений стрелы прогиба обработанных образцов с расчетными данными, полученными с использованием известных зависимостей теории упругости. Различие между полученными значениями составляет не более 9 %.

3. Напряженно-деформированное состояние листовых деталей при дробеударном формообразовании на установках контактного типа

3.1 Общие положения

Рассмотрим процесс формообразования листовой детали двойной кривизны в комбинированном технологическом процессе «гибка-ДУФ» (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Схема процесса ДУФ детали, имеющей продольную кривизну

Формоизменение детали при ДУФ с учетом (1.11) можно описать выражениями

Р р

ъ-дуф — ъ-упф дуфУ (7 -дуф\. ъ-дуф — дУфX (7 ^ФЛ И Л

Ку — Ку ~ КЕ1 2су Л кх — КЕ1 2сХ ) , (31)

где кКухф, к^ - компоненты кривизны в продольном и поперечном направлении, формируемые в процессе ДУФ (к — 1/Я, где Я - радиус кривизны); ку"ф- продольная кривизна детали, подвергнутой гибке; Рдуфх, Рдуф - компоненты удельной внутренней силы, вызываемых ДУФ; Z0д., ^ - координаты нейтрального слоя детали в соответствующих направлениях; 2дХФ, гддуф - расстояния от обрабатываемой дробью поверхности до точки приложения соответствующих внутренних сил; 1Х, I - моменты инерции сечений детали относительно соответствующих осей; Е

- модуль упругости; К - коэффициент вида НДС. При двухосном упругом изгибе К = 1,5.

С точки зрения влияния на форму детали в технологическом сочетании «гибка-ДУФ» переменные, входящие в формулу (3.1), можно разделить на три группы:

1) Геометрические параметры детали Ix, ^; г0х,^ , зависящие от конструктивных особенностей, способа закрепления и формы детали, изменяющейся в процессе обработки.

2) Продольная кривизна ку"ф, создаваемая гибкой с целью получения требуемой кривизны детали и компенсации продольной кривизны, образующейся при ДУФ. Продольная кривизна ку"ф влияет на:

- момент инерции ¡х, определяющий жесткость детали в поперечном направлении;

- величину остаточных напряжений, обусловленных процессом гибки, которые, в свою очередь, оказывают влияние на НДС и внутренние силовые факторы процесса ДУФ.

3) Внутренние силовые факторы процесса ДУФ ^, ^, зависящие от параметров процесса - диаметра, скорости шариков и времени обработки, а также от исходного НДС детали, обусловленного остаточными напряжениями и напряжениями, возникающими при закреплении.

Аналитическое определение параметров процесса ДУФ по формулам (3.1) представляет значительную сложность в виду наличия ряда взаимовлияющих факторов. Методики, приведенные в работах [53, 37] основаны на допущениях, снижающих точность расчета. Для оценки влияния НДС, обусловленного операцией гибки и упругим деформированием при закреплении, на формоизменение детали при ДУФ используем возможности современных систем инженерного анализа.

3.2 Оценка влияния условий закрепления на формоизменение листовой детали при дробеударной обработке на установках

контактного типа

Для оценки влияния исходной формы и способов закрепления на формоизменение листовой детали двойной кривизны при реализации технологического сочетания «упругопластическая гибка - ДУФ на установке контактного типа» выполним серию расчетов с применением системы нелинейного конечно-элементного анализа LS-DYNA Version R10 [46].

Для моделирования используем образец в виде фрагмента типовой обшивки из материала В95пчТ2 со следующими параметрами:

- толщина, мм 10; 4

- ширина, мм 1000

- длина, мм 1000; 2000; 3000

- остаточный радиус

продольной кривизны, R°cm , м -5; -10; да; 10, 5.

Отрицательные значения радиуса кривизны приняты в связи с имитацией условий протекания процесса получения знакопеременной двойной кривизны детали, где положительной считаем поперечную кривизну.

Узловую сетку, состоящую из 500 000 гексаэдральных элементов, создадим на базе CAD-модели образца, построенной в системе Siemens NX. Размеры элементов примем в пределах 0,11x2x2... 1x2x2 мм.

Продольную кривизну образца будем получать двумя способами:

1) моделированием гибки-прокатки для получения радиуса остаточной кривизны, R°cm по методике, приведенной в [36],

2) построением CAD-модели образца с исходным радиусом R°cm продольной кривизны.

Поскольку дальнейшие расчеты показали, что влияние способа построения модели на результаты моделирование несущественно (не более 5%), все расчеты выполним с построением модели по второму варианту.

Моделирование процесса ДУФ осуществим путем приложения удельной

растягивающей силы Рдуф к узлам модели, расположенным на расстоянии zc

=0,18 мм от поверхности детали, соответствующем режимам обработки (Ош = 3,5 мм, Ыда = 800 мин-1), использованным при моделировании процесса множественного внедрения в разделе 2.3 (см. рисунок 3.2).

Р.

Рисунок 3.2 - Приложение растягивающей силы к узлам модели образца

Приложение удельной растягивающей силы осуществим согласно закону изменения, приведенному на рисунке 3.3.

30

25

20

2

15

10

А А

А А^

20 1„ сек

Рисунок 3.3 - Фрагмент кривой нагружения нарастающей удельной силой с участками постоянной нагрузки

Увеличение удельной силы будем осуществлять от нуля до значения, обеспечивающего получение заданного значения радиуса кривизны образца. Участки А-А постоянной нагрузки введем для стабилизации напряженного состояния, предотвращения потери устойчивости и возникновения колебаний модели.

Компоненты кривизны образцов определим по перемещениям соответствующих узлов деформированной сетки моделей.

Исследуем влияние формоизменения образцов без закрепления (в свободном состоянии) под действием удельной растягивающей силы, обусловленной

ДУФ.

Результаты расчёта в виде распределения перемещений узлов сетки конечных элементов в деформированных образцах представлены на рисунке 3.4; в виде зависимостей компонент кривизны образца от удельной растягивающей силы - на рисунках 3.5-3.6.

Анализ результатов моделирования позволяет заключить, что технологические возможности процесса свободного ДУФ участков деталей двойной кривизны в значительной степени зависят от размерных и геометрических параметров данных участков. В таблицах 3.1, 3.2 и рисунках 3.7 - 3.8 приведены значения удельной растягивающей силы, потребной для формообразования, в зависимости от остаточного радиуса продольной кривизны и длины данных участков.

а)

в)

3.298е+00 2.626е+00 1.954е+00 1.282е+00 6.100е-01 -6.195е-02 -7.3406-01 -1.406е+00 -2.078е+00 -2.750е+00 -3.422е+00

5.477е+00 4.395е+00 3.313е+00 2.230е+00 1.148е+00 6.549е-02 -1.017е+00 -2.099е+00 -3.182е+00 -4.264е+00 -5.346е+00

1

I

1 j

-И 1

Рисунок 3.4 - Распределения перемещений относительно вертикальной оси Ъ в образце (В95пчТ2, Н = 10 мм, яост = - 5 м) с размерами в плане, мм: а)

300x300; б) 300x600; в) 300x900 после ДУФ в свободном состоянии (3Д400М, Д = 3,5 мм, Яда = 800 мин-1, Рдуф = 200 Н/мм)

Рисунок 3.5 - Зависимость кривизны образцов (В95пчТ2, Н = 4 мм) с размерами в плане, мм: 1000x1000 (а); 1000x2000 (б); 1000x3000 (в), имеющих исходную продольную кривизну с радиусом Rоyсm , м: да (1); -10 (2); -5 (3); 10 (4);

5 (5) от удельной растягивающей силы при ДУФ в свободном состоянии (рш = 3,5 мм, Ыд)а = 800 мин-1)

Рисунок 3.6 - Зависимость кривизны образцов (В95пчТ2, Н =10 мм) с размерами в плане, мм: 1000x1000 (а); 1000x2000 (б); 1000x3000 (в), имеющих исходную продольную кривизну с радиусом Я°ст , м: да (1); -10 (2); -5 (3); 10 (4);

5 (5) от удельной растягивающей силы при ДУФ в свободном состоянии (Ош = 3,5 мм, Мда = 800 мин-1)

Таблица 3.1 - Значения удельной растягивающей силы, потребной для формообразования участка с поперечной кривизной Ях = 8 м, в зависимости

от радиуса продольной кривизны и длины образцов толщиной 4 мм

ту ост ^ , м Ь = 1000 мм Ь = 2000 мм Ь = 3000 мм

P р дуф , Н/мм Р/ Р ? дуф ' Р дуф P р дуф , Н/мм р» / р ? дуф ' Р дуф , 1 А? Ш Р/ Р ? дуф ' ? дуф

-5 48,2 0,93 49,1 0,93 51,6 0,90

-10 46,1 0,98 47,8 0,96 48,1 0,97

да 45,0 1,00 45,8 1,00 46,7 1,00

10 51,7 0,87 52,9 0,86 54,8 0,85

Таблица 3.2 - Значения удельной растягивающей силы, потребной для формообразования участка с поперечной кривизной Ях = 8 м, в зависимости

от радиуса продольной кривизны и длины образцов толщиной 10 мм

^ , м Ь = 1000 мм Ь = 2000 мм Ь = 3000 мм

, 1 а? Ш Р/ Р ? дуф ' ? дуф , 1 а? Ш Р/ Р Р дуф ' Р дуф , 1 а Р/ Р Р дуф ' Р дуф

-5 216,9 0,93 222,2 0,94 233,1 0,90

-10 208,6 0,97 216,1 0,96 217,7 0,97

да 202,5 1,00 207,9 1,00 210,7 1,00

10 234,6 0,86 242,6 0,86 249,5 0,84

56

се

Дн 42

40 -I-^-1-^-1-^-1-■

-0,2 -ОД 0 ОД

Исходная продольная кривизна, 1/м

а)

260 2 250

К

240

сЗ

° 230

С ¿1С1 £

р^ 200 190

-0,2 -0,1 0 ОД

Исходная продольная кривизна, 1/м

б)

Рисунок 3.7 - Зависимость удельной растягивающей силы, потребной для формообразования участка с поперечной кривизной Ях = 8 м, от исходной продольной кривизны для образцов толщиной 4 мм (а) и 10 мм (б) с размерами в плане, мм: 1000x1000 (1); 1000x2000 (2); 1000x3000 (3)

Для оценки влияния на результаты ДУФ упругого деформирования в процессе закрепления (см. рисунок 3.8) используем образец с продольной кривизной яупф = -5 м. Исследуем влияние принудительного изменения продольной кривизны данного образца на его формоизменение при ДУФ.

Рисунок 3.8 - Схема процесса ДУФ образца, имевшего продольную кривизну, закрепленного с упругим распрямлением до плоского состояния

Закрепление образцов в требуемом продольном контуре выполним при помощи сферических опор, расположенных с обеих сторон по продольной оси симметрии образца (см. рисунок 3.9). Опоры смоделируем в виде абсолютно жестких тел с ограничением свободы относительно трех поступательных осей. При таком закреплении образец, под действием внутренних силовых факторов процесса ДУФ, изгибается только в плоскости Х07. В данном случае для симуляции процесса ДУФ используем линейно нарастающую растягивающую силу, аналогично показанной на рисунке 3.2, без участков стабилизации.

Неподвижные опоры

Рисунок 3.9 - Схема фиксации продольного контура детали при моделировании процесса ДУФ

Результаты расчёта в виде распределения перемещений узлов сетки конечных элементов в деформированных образцах представлены на рисунках 3.10-3. 12; в виде зависимостей компонент кривизны образца от удельной растягивающей силы - на рисунке 3.13.

а)

1.110е-15_ -8.836е-01. -1.767е+00. -2.651 е+00. -3.534е+00. -4.418е+00. -5.302е+00_ -6.185е+00. -7.069е+00 _ -7.952е+00__ -8.836е+00 I

-2.220е-16 -9.991 е-01 _1 -1.998е+00 _ -2.997е+00 _ -3.996е+00. -4.996е+00. -5.995е+00. -6.994е+00. -7.993е+00__ -8.992е+00__ -9.991 е+00 I

б)

Рисунок 3.10 - Распределение перемещений относительно вертикальной оси Ъ в образце (В95пчТ2, Н=10 мм, куст = -5 м): а) в результате распрямления (кзуак =да) и фиксации в продольном контуре; б) в результате последующего ДУФ (3Д400М, = 3,5 мм, Ида = 800 мин-1, Рдуф = 200 Н/мм)

а)

б)

Рисунок 3.11 - Распределение перемещений относительно вертикальной оси Ъ в образце (В95пчТ2, Я=10 мм, К°ст = -5 м): а) в результате упругого деформирования (Щак =10 м) и фиксации в продольном контуре; б) в результате последующего ДУФ (3Д400М, = 3,5 мм, Ыда = 800 мин-1, Рдуф = 200 Н/мм)

а)

б)

Рисунок 3.12 - Распределение перемещений относительно вертикальной оси Ъ в образце (В95пчТ2, Н=10 мм, куст = -5 м): а) в результате упругого деформирования (Щак =-10 м) и фиксации в продольном контуре; б) в результате последующего ДУФ (3Д400М, Бш = 3,5 мм, Ыда = 800 мин-1, Рдуф = 200 Н/мм)

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Растягивающая сила, Н/мм

Растягивающая сила, Н/мм

б)

Рисунок 3.13 - Зависимость поперечной кривизны от удельной растягивающей силы, действующей при ДУФ (Ош = 3,5 мм, Ыда = 800 мин-1), для образцов из сплава В95пчТ2 толщиной 4 мм (а) и 10 мм (б), имеющих исходную продольную кривизну Ryст =-5 м (1), упруго деформированных при закреплении с получением радиуса продольной кривизны Щак, м: -10 (2); да (3); 10(4) и 5 м (5)

Проанализировав полученные зависимости, можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:

1) Длина области двойной кривизны при ДУФ детали в свободном состоянии оказывает несущественное влияние на величину потребной растяги-

вающей силы (не более 7% по сравнению с ДУФ детали с соотношением сторон равным 1:1).

2) Исходная продольная кривизна детали при ДУФ в свободном состоянии оказывает значительное влияние на величину растягивающей силы, потребной для образования заданной поперечной кривизны. Характер данного влияния представлен на рисунке 3.7, из которого следует, что получение методом ДУФ поверхностей знакопостоянной кривизны (бочкообразных) является наиболее энегрозатратной по сравнению с седловидными поверхностями. Согласно выполненным расчетам, увеличение потребной для получения поверхности с сочетанием компонент кривизны, характерным для типовых деталей, составляет соответственно до 16 % для знакопостоянной и до 10 % для знакопеременной кривизны по сравнению с ДУФ исходно плоской заготовки.

3) При закреплении с упругим деформированием в продольном направлении заготовки с исходной продольной кривизной можно добиться уменьшения удельной растягивающей силы, потребной для формирования поперечной кривизны. Так, при ДУФ с целью получения поперечной кривизны с Ях = 8 м заготовки с Н = 4 мм, с исходной продольной кривизной с радиусом яуст =-5 м растягивающая сила уменьшается:

- на 5% при упругом деформировании до Щак =-10 м;

- на 11 % при упругом деформировании до плоского состояния;

- на 13 % при упругом деформировании до язак = 10 м;

- на 15 % при упругом деформировании до куак = 5 м.

3.3 Оценка влияния напряженно-деформированного состояния обрабатываемой детали на внутренние силовые факторы процесса дробеударного формообразования на установках контактного типа

Установим влияние исходного НДС, сформированного в результате гибки в продольном направлении и последующего закрепления на обработку,

на напряженное состояние листовой детали при ДУФ. Для этого используем систему нелинейного конечно-элементного анализа LS-DYNA Version R10. Моделирование выполним для листовой детали из сплава В95пчТ2 толщиной 4 и 10 мм, представляющей фрагмент типовой обшивки.

Решим задачу определения НДС в результате множественного внедрения шариков в пластину с размерами (длина*ширинахтолш,ина) 100*20*10 мм, предварительно подвергнутую гибке-прокатке с последующим распрямлением, имитирующим закрепление детали на обработку.

На рисунке 3.14 представлена конечно-элементная модель процесса гибки прокатки. Диаметры валков выберем в соответствии с трехвалковой листогибочной машиной И2222Б (D0 =240 мм; =280 мм; Z0 =350 мм) в масштабе 1:4 для обеспечения возможности гибки деталей длиной менее 200 мм. Модель валков реализуем в виде цилиндрических секторов, на основе которых построим сетку из гексаэдральных (прямоугольных) оболочечных четырехузловых конечных элементов.

Рисунок 3.14 - Конечно-элементная модель гибки-прокатки образца

Модель образца разделим на пять областей (см. рисунок 3.15). В областях 1 и 2 используем сетку конечных элементов со сгущением для повыше-

ния адекватности дальнейшего моделирования процесса внедрения шариков. Размеры сетки:

- в области 1 - 0,08х0,08хш2 мм, где 0,01<ш7<0,08;

- в области 2 - 0,08 х шУ х ш2 мм, где 0,08<ш7<0,2; 0,08<ш2<0,24.

В целях экономии вычислительных ресурсов для областей 3-5 используем более разряженную сетку размерами до 1 мм.

!3г

/1 /

о. 5 о.3 о. 2 о.3 о. 5 > * А к г

о. 4 о. 2 о. 1 о. 2 о. 4 У >

о. 5 о.3 о. 2 о.3 о. 5 V

40 20 10 аУ ->

30

<- 100

Рисунок 3.15 - Области сетки конечных элементов детали исследуемого образца

Модель и свойства материала, модель демпфирования и метод решения примем аналогично использованным в разделе 2.3. С применением полученной модели выполним расчеты по упругопластической гибке-прокатке до получения остаточного радиуса кривизны я°ст = -5 м (см. рисунок 3.16) с

последующим упругим деформированием распрямлением до плоского состояния, а также с получением радиусов Я3уак = -10; 10; 5 м. Отрицательные

значения радиуса кривизны приняты в связи с имитацией условий протекания процесса получения знакопеременной двойной кривизны детали, где положительной считаем поперечную кривизну. Упругое деформирование в продольном направлении осуществляем при помощи ранее использованной модели опор (см. рисунок 3.14).

После моделирования процессов гибки и закрепления деформированную сетку модели импортируем в новый расчетный файл, затем выполним ее фиксацию по всем граням кроме обрабатываемой поверхности для исключе-

ния возможности перемещения детали при внедрении шариков. Аналогичным образом поступим с недеформированным образцом.

Выполним моделирование процесса множественного внедрения шариков диаметром 3,5 мм в область 1 модели (см. рисунок 3.15) по методике, приведенной в разделе 2.3 (см. рисунок 3.17).

1.000е-03 Э.ОООе-ОД В.000е-04 7.000е-04 6.000е-04 5.000е-04 4.000е-04 3.000е-04 2.000е-04 1.000е-04 П ПППЙ+ПП

1

Рисунок 3.16 - Распределение остаточной деформации в модели образца при упругопластической гибке с получением Яост = - 5 м

Рисунок 3.17 - Модель процесса множественного внедрения шариков (3Д400М, Б = 3,5 мм; Ыда = 800 мин-1, ? = 4 с) в деформированную деталь с остаточным радиусом кривизны после гибки яост = - 5 м

Распределения начальных напряжений в поверхностном слое образцов с зафиксированной сеткой после обработки шариками показаны на рисунке 3.18. В таблицах 3.3 и 3.4 приведены параметры данных распределений и рассчитанные по формулам (2.12) и (2.13) внутренние силовые факторы процесса.

Напряжения, МПа

-160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 50 -40 -30 -20 -10 0 10

0 ОД

S

S0.2

gO, (D

д,-

ев

В

о

н

4

5 5

0,7 0,8