Сверхпластическая формовка пространственных оболочек тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат наук Алексеев, Павел Алексеевич

• Алексеев, Павел Алексеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Алексеев, Павел Алексеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. История развития и современное состояние исследований эффекта сверхпластичности и сверхпластической формовки

1.1. Первые сообщения об эффекте сверхпластичности

1.2. Современное состояние исследований эффекта сверхпластичности

1.3. Характерные особенности сверхпластического состояния металлов

1.4. Основные технологические схемы процессов сверхпластической формовки

1.5. Теоретические исследования процессов сверхпластической формовки

1.5.1. Основные реологические модели сверхпластичных материалов

1.5.2. Обзор теоретических исследований процессов сверхпластической формовки

1.6. Цель и задачи диссертационной работы

2. Разработка математической модели и метода решения задач сверхпластической формовки

2.1. Постановка задачи о течении нелинейно-вязкого материала

2.2. Разработка конечно-элементной модели течения нелинейно-вязкого материала

2.3. Моделирование контактного взаимодействия заготовки с формообразующим инструментом

2.4. Определение напряженно-деформированного состояния заготовки

2.5. Расчет давления газовой среды

2.6. Алгоритм и программный комплекс моделирования процессов сверхпластической формовки

2.7. Решение тестовых задач

2.8. Основные результаты и выводы

3. Теоретический анализ трехмерных процессов сверхпластической формовки с учетом влияния действия сил трения

3.1. Формообразование детали типа «поддон» из листовой заготовки

3.1.1. Формообразование детали при Н/С = 0,22

шииирлзишпис Д^ЮЛ*! при.—

)мообразование детали при Н/С = 0,42

лиз результатов математического моделирования

ообразование трубы с продольными рифтами

ообразование однослойной оболочки типа стенки с квадратными

вные результаты и выводы

1тическое моделирование процессов сверхпластической формовки ых полусферических оболочек

Заключение

Список литературы Приложение

163

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпластическая формовка пространственных оболочек»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время в машиностроении и авиастроении существует необходимость разработки новых технологий, обеспечивающих повышение производительности труда, снижение энерго- и материалоемкости, при этом необходимо, чтобы изготовленная продукция соответствовала всем техническим требованиям, соответствующих машиностроительных и авиакосмических производств.

В ряде отраслей машиностроения и авиастроения находят широкое применение оболочки различной геометрической формы (обтекатели, корпуса отсеков, емкости, патрубки и др.), несущие в процессе эксплуатации высокие нагрузки. Как правило, эти изделия изготавливают из труднодеформируемых сплавов (ВТбс, ВТЗ-1, ВТ14, АМгЗ, АМгб и др.), что создает определенные технологические трудности.

Одним из эффективных методов получения сложнопрофильных оболочек из листовых и трубных заготовок является сверхпластическая формовка. Достоинством этого метода является возможность получения за одну технологическую операцию значительных степеней деформации и обеспечение высокой точности изделий сложных геометрических форм. Преимущества процесса особенно проявляются в условиях мелкосерийного и серийного производства крупногабаритных изделий, т.к. сверхпластическая формовка исключает использование дорогостоящего и громоздкого кузнечно-штамповочного оборудования.

Актуальной задачей является создание научно-обоснованного подхода к определению технологических режимов сверхпластической формовки деталей пространственных форм из труднодеформируемых сплавов, учитывающего трехмерный характер течения нелинейно-вязкого материала, действие сил контактного трения и позволяющего прогнозировать геометрические параметры формуемых деталей. Решение этой задачи возможно на основе применения современных методов математического моделирования, которые позволяют по-

высить производительность процесса подготовки производства и снизить затраты энергетических и материальных ресурсов.

Целью работы является повышение эффективности разработки технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформ-руемых сплавов на основе создания научно-обоснованного подхода к определению технологических параметров формоизменения листовых и трубных заготовок и прогнозированию геометрических параметров деталей.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработка конечно-элементной математической модели деформирования газовой средой заготовки, учитывающей трехмерный характер течения деформируемого материала и контактное трение между заготовкой и поверхностью формообразующей матрицы.

2. Разработка алгоритма расчета режимов нагружения и программного комплекса для математического моделирования процессов сверхпластической формовки.

3. Выполнение теоретических исследований процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

4. Разработка на основе теоретических исследований схемы формообразования полусферических оболочек с минимальной величиной разнотолщинно-сти стенки.

5. Разработка рекомендаций по проектированию технологических процессов сверхпластической формовки.

Объект исследования: Процессы изотермического деформирования труднодеформируемых сплавов в режиме сверхпластичности.

Предмет исследования; Сверхпластическая формовка трехмерных пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок выполнены с применением основных положений механики деформи-

руемого твердого тела, теории пластического течения, аналитической геометрии и метода конечных элементов. Анализ технологических операций формообразования изделий реализован в разработанном программном комплексе для математического моделирования процессов сверхпластической формовки.

Автор защищает:

1. Предложенную математическую модель процесса деформирования заготовки из нелинейно-вязкого материала давлением газовой среды и разработанный на ее основе программный комплекс для конечно-элементного моделирования процессов сверхпластической формовки.

2. Результаты теоретических исследований формоизменения листовых и трубных заготовок из труднодеформируемых сплавов (АМгб, ВТбс), установленные режимы деформирования и геометрические параметры формуемых из*

делий для различных условий контактного трения.

3. Предложенный способ уменьшения разнотолщинности стенки полусферических оболочек и разработанную на его основе математическую модель формоизменения листовой заготовки из сплава ВТбс.

4. Рекомендации по разработке технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых сплавов и конструкции устройств для формообразования сложнопрофильных изделий из трубных заготовок и полусферических оболочек из листовых заготовок с разнотолщинно-стью стенки в меридиональном сечении не более 15%.

Научная новизна.

Установлены качественные и количественные характеристики распределения степени деформации и утонения стенки, характер кривых нагружения заготовок давлением газовой среды для различных условий контактного трения в исследованных процессах формообразования деталей различных геометрических форм на основе разработанной математической модели процесса деформирования заготовки из нелинейно-вязкого материала давлением газовой среды, учитывающей трехмерный характер течения материала, действие сил трения на заранее неизвестной контактирующей поверхности и позволяющей рас-

считывать режимы нагружеиия с учетом изменения пространственного положения опасных зон заготовки.

Достоверность. Обеспечивается строгостью математической постановки задачи, обоснованным использованием известных теоретических зависимостей и математических методов, многократным тестированием разработанных алгоритмов, сравнением тестовых решений с известным аналитическим решением и сопоставлением результатов расчетов с независимыми экспериментальными данными.

Практическая значимость:

1. Разработан программный комплекс для математического моделирования процессов сверхпластической формовки трехмерных пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок.

2. Предложена технологическая схема сверхпластической формовки полусферических оболочек, позволяющая значительно сократить разнотолщин-ность стенки, которая характерна для типовой схемы формообразования полусфер.

3. Разработаны конструкции устройств и предложены технологические рекомендации для сверхпластической формовки изделий из листовых и трубных заготовок.

Реализация работы:

1. Результаты исследований, включающие оригинальный программный комплекс математического моделирования процессов сверхпластической формовки, рекомендованы к использованию в опытном производстве ООО НПП «Вулкан-ТМ», а также в опытном производстве ООО «Ротор-инженеринг».

2. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование», бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» ТулГУ.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных конференциях XXXV, XXXVIII «Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2009, 2012 гг.); МНТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ, 2009 г.); студенческой МНТК «Научному прогрессу творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, Марийский ГТУ, 2009 г.); Второй Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2009 г.); ВНТК «Авиакосмические технологии» (г. Москва - Воронеж, 2009 г.), XI Республиканской студенческой научно-технической конференции «Новые материалы и технологии их обработки» (г. Минск, БНТУ, 2010 г.), ВНПК «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (г. Красноярск, Сиб. гос. аэро-космич. ун-т, 2010 г.), XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС - 2011» (г. Москва, ИМАШ РАН, 2011 г.), I МНПК «Актуальные проблемы современной науки: Свежий взгляд и новые подходы» (г. Йошкар-Ола, Приволжский научно-исследовательский центр, 2012 г.), а также на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2009 — 2013 гг.).

Автор является дипломантом открытого конкурса МИНОБРНАУКИ на лучшую научную работу среди ВУЗов РФ и стран СНГ, стипендиат Правительства РФ.

Публикации. За время подготовки диссертации опубликовано 20 научных работ, среди них один патент на полезную модель РФ, 11 статей в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, 2 статьи в межвузовских сборниках научных трудов, 6 работ в сборниках тезисов докладов Международных и Всероссийских научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы из 96 наименований, приложений и содержит 172 страницы машинописного текста, включая 102 рисунка и 10 таблиц.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертационной работы.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процессов сверхпластической формовки. Рассмотрены основные реологические модели, применяемые при решении технологических задач сверхпластической формовки. Отмечается достаточное большое число математических моделей формообразования оболочек, основанных на применении аналитических и численных методов расчета. Сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Второй раздел посвящен разработке математической модели деформирования газовой средой заготовки из нелинейно-вязкого материала, учитывающей трехмерный характер напряженно-деформированного состояния и действие сил контактного трения. Уделено внимание реализации в трехмерном пространстве нелинейных граничных условий на неизвестной заранее контактной поверхности. На основе разработанных математической модели и алгоритмов разработан программный комплекс для решения трехмерных задач сверхпластической формовки.

В третьем разделе представлены результаты теоретических исследований процессов сверхпластической формовки различных изделий из листовых и трубных заготовок. Установлено влияние применяемых при математическом моделировании условий контактного трения на технологические параметры процессов, напряженно-деформированное состояние заготовки и характер распределения утонений в готовом изделии.

Четвертый раздел посвящен разработке технологической схемы формообразования полусферической оболочки, обеспечивающей минимальную раз-нотолщинность стенки. Выполнен теоретический анализ предложенной схемы формообразования полусфер.

В пятом разделе предложена комплексная методика проектирования технологических процессов сверхпластической формовки. Рассмотрены схемы

систем подачи газовой среды, обеспечивающих ведение процесса формовки изделий согласно рассчитанному режиму нагружения. Предложено устройство для получения сверхпластической формовкой сложнопрофильных оболочек из трубных заготовок. Предложена схема штампового блока для двухпереходной формовки полусферических оболочек, обеспечивающей разнотолщинность стенки в меридиональном сечении изделия не более 15%. Рассмотрены рекомендации по проектированию технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых алюминиевых и титановых сплавов.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТА СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ И СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ

1.1. Первые сообщения об эффекте сверхпластичности

В 1934 году была опубликована работа преподавателя металлургии в Армстронг-Колледже (Великобритания) Пирсона [15]. Пирсон исследовал механическое поведение сплавов на основе олова: олово - свинец (Бп - РЬ) и олово - висмут (8п - В1). Из слитков 01,25 х 3 дюйма методом обратного выдавливания он получал пруток 0 0,25 дюйма. Цилиндрические образцы с размерами рабочей части 0 0,2 х 2 дюйма испытывались на растяжение при различных условиях нагружения и разном времени выдержки после выдавливания. Для сравнения испытывались аналогичные образцы, изготовленные из литой заготовки. Удлинение до разрыва при быстром приложении значительной нагрузки для сплава Бп - В1 составило 5% для литого материала и 35% - для полученного выдавливанием (экструдированного). В то же время при небольших напряжениях течения для литого состояния было получено удлинение 18%, а для полученного выдавливанием - от 400 до 652% в зависимости от времени выдержки после выдавливания.

Аналогичные результаты были получены и для сплава Бп - РЬ. Из полученных результатов следовало, что величина удлинения до разрыва растет по мере снижения нагрузки и уменьшения времени выдержки после выдавливания. Для достижения еще больших удлинений Пирсон предложил проводить испытание при постоянном напряжении течения. С этой целью он уменьшал величину приложенной к образцу нагрузки по мере уменьшения площади его поперечного сечения, что позволило достичь рекордного значения удлинения в 1950% для сплава Бп - Вь Для того чтобы сфотографировать полученный в итоге образец, длина которого составила 82,1 дюйма (при исходной длине рабочей части 4 дюйма), его пришлось свернуть в спираль. Эта фотография стала

классическим примером эффекта сверхпластичности (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Образец из сплава Sn —Bi после сверхпластического растяжения

[15]

В 1994 году Манчестерский университет (Великобритания) провел международную конференцию, посвященную 60-летию выхода в свет работы Пирсона. Эмблемой этой конференции был знаменитый образец Пирсона (рис. 1.2).

яи

AFTER

Рис. 1.2. Эмблема международной конференции, посвященной 60-летию

выхода в свет работы Пирсона

В 1964 году Бэкофен, Тэрнер и Эвери из Массачусетского технологического института (США) опубликовали результаты исследования эффекта сверхпластичности эвтектоида Zn - 22%А1, которые явились началом интенсивных экспериментальных работ, ставящих целью выяснение микромеханизмов процесса сверхпластичности и использование его на практике [66]. Прак-

тическое применение эффекта сверхпластичности было показано Бэкофеном и его сотрудниками на примере формовки куполообразной оболочки. Из листовой заготовки толщиной 0,76 мм через матрицу диаметром 100 мм методом свободной формовки были получены куполообразные оболочки. Давление газовой среды, которое для этого понадобилось, составило 0,1 - 0,2 МПа. Проведенные экспериментальные работы положили начало дальнейшим теоретическим и экспериментальным исследованиям, а также практическому использованию сверхпластической формовки.

В 60-ые годы прошлого столетия Д. Филдс разработал технологический процесс сверхпластической формовки из листовых заготовок корпусных деталей вычислительных машин [66]. Технология была запатентована американской фирмой IBM и названа термоформовкой. Подготовка листовой заготовки состояла из отливки слитков сплава 78% Zn - 22% А1, прокатки слитков в листы, отжиге полученных заготовок при 315 °С в течении 1 часа и закалки в воде непосредственно перед формовкой для сохранения полученной мелкозернистой структуры. Листовые заготовки деформировали вакуумной формовкой в штам-повом блоке, состоящем из формообразующей матрицы, и прижима с встроенными в него контактными электронагревателями. При температуре 275 °С была отформована коробчатая деталь размером 150x100x100 мм из листовой заготовки толщиной 0,85 мм. Время формовки составило около 4 минут. Аналогичное изделие из листовой заготовки толщиной 2,5 мм было получено за 34 минуты. Несмотря на малое давление формовки (около 0,1 МПа), полученные изделия воспроизводили все мельчайшие детали рельефа полости формообразующей матрицы.

1.2. Современное состояние исследований эффекта сверхпластичности

В нашей стране работы по исследованию эффекта сверхпластичности успешно ведутся в Московском институте стали и сплавов (МИСиС), ИМЕТ им. Байкова, в Санкт-Петербургском государственном университете, НИИ ЧМ им.

Бардина, Тульском государственном университете и др. Особо надо сказать о том, что на базе Специального конструкторско-технологического бюро «Тантал» и кафедры Общей технологии и металловедения Уфимского авиационного института создан единственный в мире академический Институт проблем сверхпластичности металлов (ИПСМ).

Вопросы теории и технологии сверхпластической формовки (изотермической пневмоформовки) сложнопрофильных изделий из труднодеформируемых материалов получили развитие в трудах А.М. Африкантова, Р.А. Васина, У. Джонсона, Ф.У. Еникеева, А.А. Круглова, Р.Я. Лутфуллина, Е.В. Панченко, В.К. Портного, И.П. Ренне, Р.В. Сафиуллина, О.М. Смирнова, Я.А. Соболева, М.А. Цепина, Е.Н. Чумаченко, С.П. Яковлева, С.С. Яковлева и др.

Отдельно необходимо сказать о том, что большой вклад в развитие исследований эффекта сверхпластичности внес О.М. Смирнов. При его участии в Московском институте стали и сплавов была создана проблемная лаборатория деформации сверхпластичных сплавов. Работы О.М. Смирнова связаны как с экспериментальными и теоретическими исследованиями, так и с практическим применением эффекта сверхпластичности. Известны его работы в области реологии сверхпластичных сплавов. О.М. Смирновым разработана модель вязко-пластической среды, которая позволяет описать поведение сверхпластичного материала при активном нагружении в очень широком интервале скоростей деформации. Также О.М. Смирнов предложил тензорный вид записи своей модели, основанный на одном из вариантов теории пластического течения.

Наибольшее развитие технологии обработки металлов давлением в состоянии сверхпластичности за пределами нашей страны получило в таких фирмах как: «ACCUDYNE ENGINEERING and EQUIPMENT COMPANY», «Cyril Bath Company», «Exotic Metals Forming Company LLC», «Suzuki Tool & Die Со., Ltd.», «Triumph Fabrications Hot Springs» и др.

Необходимо отметить, что сверхпластическая формовка является одним из перспективных видов обработки металлов давлением, позволяющая получать сложнопрофильные изделия как из листовых, так и из трубных заготовок.

Одними из лидеров за последние 25 лет по объемам производства и разнообразию номенклатуры изделий, производимых сверхпластической формовкой, являются компании Superform USA Inc (США, Калифорния) и Superform Aluminium (Великобритания)[68]. Эти компании выполняют солидные заказы предприятий аэрокосмического комплекса, автомобильной промышленности, а также предприятий, производящих средства железнодорожного транспорта, телекоммуникаций, электроники, медицины и спортивных товаров.

Также существенный прогресс в промышленном использовании сверхпластической формовки наблюдается в Японии [68]. Начало развитию этого

метода было положено разработками крупнейших японских компаний Mitsubi-

t

shi Heavy Industries и Kawasaki Heavy Industries, которые первые в Японии построили и начали использовать в производстве комплексы специализированного оборудования для сверхпластической формовки. В Японии также появились фирмы, специализирующиеся на промышленном выпуске листа из сверхпластичных сплавов. Наибольших успехов достигли фирмы Furukawa-Sky Aluminium (алюминиевые сплавы), Nippon Кокап (титановые сплавы) и Nippon Yakin Kogyo Со Ltd (коррозионно-стойкая микродуплексная сталь Super Dux).

Известным производителем крупногабаритных деталей сложной формы из титановых сплавов является британская фирма TKR International.

Достижения в области сверхпластической формовки в сочетании с диффузионной сваркой связаны с производством сложных тонкостенных деталей и конструкций из титановых сплавов. Британская компания Rolls - Royce освоила на этой технологии производство широкоходовых лопастей вентиляторов из сплава Ti - 6%А1 - 4%V для турбинных двигателей авиалайнеров Boeing 747/757/767, Airbus А320/А321 и McDonnel Douglas MD [68].

Большой опыт серийного производства методом сверхпластической формовки деталей и конструкций для пассажирских авиалайнеров и военных самолетов имеет компания British Aerospace (Marconi Electronic Systems).

Также следует отметить, что с развитием исследований сверхпластичности и разработок на ее основе новых технологий непрерывно развиваются ме-

тоды математического моделирования. Наиболее успешным для теоретического анализа является в настоящее время метод конечных элементов. На основе этого метода и положений механики деформируемого твердого тела различные фирмы разработали и развивают программные комплексы для математического моделирования процессов обработки материалов давлением. Разработанные программы позволяют с использованием компьютерной техники успешно решать поставленные технологические задачи. Среди зарубежных программных комплексов можно отметить Deform 3D компании Scientific Forming Technologies Corporation, MSC.Marc фирмы MSC.Software Corporation и ABA-QUS/Standart компании Dassault Systemes. Из отечественных пакетов программ можно выделить программный комплекс SPLEN-0, разработанный группой программистов фирмы КОММЕК Лтд [79] и QForm 2D/3D, разработанный в компании ООО «КванторФорм». Однако необходимо отметить, что большая часть из названных программных комплексов являются универсальными и «тяжелыми», что с одной стороны является большим плюсом, т.к. они позволяют моделировать большинство процессов обработки материалов давлением. С другой стороны, универсальность существенно затрудняет адаптирование программного комплекса для математического моделирования процессов сверхпластической формовки, а в некоторых программных комплексах отсутствует

возможность моделирования этих процессов. Из всех вышеназванных про»

граммных комплексов специализированным для моделирования процессов сверхпластической формовки является SPLEN-O. Однако в качестве основного недостатка данного программного комплекса можно выделить отсутствие возможности решения технологических задач в трехмерной постановке.

1.3. Характерные особенности сверхпластического состояния металлов

Для материалов, находящихся в состоянии сверхпластичности, выделяют три основных признака сверхпластичности [66]:

1. Повышенная чувствительность напряжения течения к изменению скорости деформации;

2. Напряжение течения сверхпластичного материала (материала находящегося в состоянии сверхпластичности) в несколько раз меньше предела текучести, характеризующего тот же материал в пластичном состоянии.

3. Большой ресурс деформационной способности к равномерной деформации.

В настоящее время можно считать твердо установленными следующие деформационные процессы (механизмы) сверхпластического течения: зерно-граничное проскальзывание (ЗГП), внутризеренное дислокационное скольжение (ВДС) и диффузия (Д) [52].

Принято выделять три основных типа сверхпластичности:

1. Структурная сверхпластичность. Структурная сверхпластичность, обусловлена мелкозернистой структурой и отсутствием фазовых превращений в твердом состоянии. Для обеспечения структурной сверхпластичности для большинства металлических материалов необходимо поддерживать скорость

—5 —2 —1

деформации в интервале 10 ...10 с , температуру обработки в интервале (0,6...0,85)ТШ, также необходимо, чтобы металлические материалы обладали мелкозернистой структурой: чем мельче зерно, тем более ярко выражены сверхпластические свойства.

2. Сверхпластичность сплавов в интервале температур диффузионного фазового превращения. Сверхпластичность такого типа, как правило, слабо зависит от размеров зерна и наблюдается как в изотермических условиях, так и при термоциклировании вблизи температур фазового превращения.

3. Аномально высокая пластичность металлов в интервале температур бездиффузионного (мартенситного) перехода. Сверхпластичность такого типа наблюдается при температурах, соответствующих наполовину прошедшему превращению (50% аустенита и 50% мартенсита). Скорость деформации в этом случае обычно выше, чем для первых двух типов, и составляет порядка

Ю-2 с4.

На рис. 1.3 представлены типовые кривые, характеризующие поведение

0,1

сверхпластичного и несверхпластичного материалов.

0.6

о

0,00001

0.0001

100 МПа

10 ае

Рис. 1.3. Типовые кривые изменения эквивалентного напряжения ае

(пунктирная линия) и параметра скоростного упрочнения т (сплошная линия): 1 - материал с мелкозернистой структурой; 2 — материал с

крупнозернистой структурой.

Показатель скоростного упрочнения т характеризует наклон сигмои-дальной кривой, причем, если параметр т принимает значение больше или равное 0,3, то можно говорить о том, что материал находиться в сверхпластичном состоянии. Значение параметра т определяется по формуле

, ч_ сЛ%ое _ аое

т\Ье)~ 1\ к ~ ¿г ' '

где ое - эквивалентное напряжение; Ъ>е - эквивалентная скорость деформации.

Показатель скоростного упрочнения т входит в основное механическое уравнение состояния вязкой среды

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алексеев, Павел Алексеевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев Д.А., Пасько А.Н., Алексеев П.А. Моделирование контакта инструмента с заготовкой в трехмерных задачах обработки металлов давлением // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 173-176.

2. Алексеев П.А. Программный комплекс для моделирования процессов сверхпластической формовки // Сборник научных трудов Международной МНК «XXXVIII Гагаринские чтения». М.: МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского. 2012. Т. 1.С. 126-127.

3. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Математическое моделирование сверхпластической формовки сложнопрофильных изделий из трубных заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. №3. С. 15 - 16.

4. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Метод расчета формообразования тонкостенных оболочек в режиме сверхпластичности // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2011. №10. С. 16-20.

5. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Моделирование процесса формообразования осесимметричной оболочки в режиме сверхпластичности // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 181 - 185.

6. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Моделирование технологической операции сверхпластической формовки трубной заготовки // Сборник научных трудов Международной НТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения». Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. Ч. 2. С. 41 - 44.

7. Алексеев П.А., Панченко Е.В. Подход к решению трехмерных задач сверхпластической формовки с учетом контактного трения // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 8. С. 203 - 210.

8. Алексеев П.А., Панченко Е.В., Туркин К.А. Анализ формоизменения заготовок при сверхпластической формовке пространственных оболочек // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №12. С. 22 - 25.

9. Алексеев П.А., Туркин К.А. Моделирование технологических процессов сверхпластической формовки изделий из труднодеформируемых сплавов //

Сборник научных трудов XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС - 2011. М.: Изд-во ИМАШ РАН. 2011. С. 154.

10. Алексеев П.А., Туркин К.А. Сверхпластическая формовка гофрированных оболочек // Сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики». Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. 2010. Т. 1. Технические науки. С. 109 - 110.

11. Алексеев П.А., Туркин К.А., Семёнова P.O., Панченко Е.В. Математическое моделирование формообразования изделий из листовых заготовок в режиме сверхпластичности // Сборник научных трудов X Всероссийской НТК «Авиакосмические технологии». Воронеж - Москва. 2009. С. 7 - 8.

12. Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В., Кучер Т.В. Самоучитель по программированию на Free Pascal и Lazarus. Донецк.: ДонНТУ, Технопарк ДонНТУ УНИТЕХ, 2009. 503 с.

13. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов / пер. С.А. Алексеева и др.; под ред. А.Ф. Смирнова. М.: Стройиздат, 1982. 448 с.

14. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Бином, 2003. 632 с.

15. Васин P.A., Еникеев Ф.У. Введение в механику сверхпластичности: В 2-х ч. Часть 1. Уфа: Гилем. 1998. 280 с.

16. Васин P.A., Еникеев Ф.У. Введение в механику сверхпластичности: В 2-х ч. Часть 2. Книга 2. Уфа: Гилем. 1999. 190 с.

17. Васин P.A., Еникеев Ф.У. Введение в механику сверхпластичности: В 2-х ч. Часть 2. Книга 1. Уфа: Гилем. 1999. 460 с.

18. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы / пер. с англ. М.: Мир, 1984. 428 с.

19. Грабский М.В. Структурная сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975.272 с.

20. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1978. 360 с.

21. Грязев М.В., Яковлев С.С., Ларин С.Н. Математическая модель изотермического деформирования полусферических деталей из трансверсально-изотропных материалов в режиме ползучести // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 1. С. 27 - 36.

22. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением: учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

23. Демин В.А. Проектирование процессов толстолистовой штамповки на основе прогнозирования технологических отказов. М.: Машиностроение-1, 2002. 186 с.

24. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших систем уравнений / пер. с англ. М.: Мир, 1984. 333 с.

25. Жеребцов Ю.В., Самойлова А.Ю., Загиров Т.М., Еникеев Ф.У. Определение сверхпластических свойств по результатам тестовых формовок прямоугольных мембран при постоянном давлении // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. №1. С. 46 - 51.

26. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / под ред. Б.Е. Победри. М.: МИР, 1975. 539 с.

27. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. М., Тула: Машиностроение - 1; ТулГУ, 2003. 427 с.

28. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машиностроение, 1967.367 с.

29. Кайбышев O.A., Лутфуллин Р.Я., Круглов A.A. Сверхпластическая формовка сферических сосудов давления // Кузнечно-штамповочное производство. 1999. №4. С. 29-32.

30. Клованич С.Ф. Метод конечных элементов в нелинейных задачах инженерной механики / Библиотека журнала «CßiT геотехшки», 9-й выпуск. 3.: ООО «ИПО «Запорожье», 2009.400 с.

31. Ковалевич M.B. Пневмотермическая формовка деталей коробчатой формы в режиме сверхпластичности // Через тернии к звездам. М.: Изд-во МАИ, 2007. С. 224-229.

32. Ковалевич М.В., Климова A.A. Совмещение традиционных операций листовой штамповки и пневмотермической формовки в режиме сверхпластичности для изготовления изделий авиационной техники // Труды МАИ. 2010. Вып. 38. С. 1.

33. Комплексные задачи теории пластичности / Н.Д. Тутышкин, А.Е. Гвоздев, В.И. Трегубов, Ю.В. Полтавец и др. Тула: ТулГУ, 2001. 377 с.

34. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / А.Н. Леванов, B.JI. Колмогоров, С.П. Буркин, Б.Р. Картак, Ю.В. Ашпур, Ю.И. Спасский, М.: Металлургия, 1976. 416 с.

35. Краснов M.B. OpenGL. Графика в проектах Delphi. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 352 с.

36. Круглов A.A., Руденко O.A. Формуемость наноструктурного листа титанового сплава ВТ6 // Письма о материалах. 2010. Т.2. С. 107 - 110.

37. Круглов A.A. Моделирование процесса сверхпластической формовки цилиндрической оболочки из листового пакета // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2008. №4. С. 32 - 37.

38. Круглов A.A. Сверхпластическая формовка сферических сосудов с бобышками// Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2004. №10. С. 8-11.

39. Ларин С.Н. Научное обоснование технологических режимов изотермической пневмоформовки элементов ячеистых листовых конструкций из анизотропных высокопрочных материалов в режиме ползучести: Автореф. дис.... канд. техн. наук: / ТулГУ. Тула 2005. 20 с.

40. Ларин С.Н. Пневмоформовка ячеистых панелей из анизотропного материала //Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 51 - 61.

41. Ларин С.Н. Технологические параметры процесса формообразования куполообразных изделий из анизотропного материала // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 3. С. 469 - 476.

42. Ларин С.Н. Технологические процессы формообразования однослойных оболочек газом // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 134 — 137.

43. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести / 2-е изд. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.

44. Метод конечных элементов в механике твердых тел / под ред. A.C. Сахарова, И. Альтенбаха. Киев: Вища школа, 1982. 480 с.

45. Панченко Е.В. Юрченко Д.А. Особенности изотермического формования изделий из листовых сплавов // Автоматизация и современные технологии. 1998. №12. С. 6-9.

46. Панченко Е.В., Алексеев П.А. Влияние контактного трения на формообразование тонкостенных оболочек в режиме сверхпластичности // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2012. №7. С. 37-40.

47. Панченко Е.В., Алексеев П.А. Конечно-элементный подход к определению режимов деформирования при сверхпластической формовке сложнопрофиль-ных оболочек // Вестник ТулГУ. Серия актуальные вопросы механики. 2011. Вып. 7. С. 124-128.

48. Панченко Е.В., Алексеев П.А. Конечно-элементный подход к решению технологических задач сверхпластической формовки // Автоматизация и современные технологии. 2011. №7. С. 7 - 9.

49. Панченко Е.В., Алексеев П.А. Моделирование трехмерных задач сверхпластической формовки тонкостенных оболочек // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2012. №3. С. 28 - 32.

50. Панченко Е.В., Алексеев П.А., Туркин К.А., Семёнова P.O. Моделирование процесса получения сверхпластической формовкой сложнопрофильной обо-

лочки из трубной заготовки // Технология машиностроения. 2010. №8. С. 57 — 59.

51. Панченко Е.В. Определение параметров процесса пневмоформовки изделий в режиме сверхпластичности // РАН. Металлы. 1996. № 4. С. 57 - 61.

52. Панченко Е.В., Селедкин Е.М. Пневмоформовка листовых заготовок в режиме сверхпластичности. Решение технологических задач. Тула: ТулГУ, 2004. 304 с.

53. Панченко Е.В., ТуркинК.А., Семёнова P.O., Алексеев П.А. Определение реологических параметров механического уравнения состояния сверхпластичного материала // Сборник научных трудов Международной НТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения». Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. Ч. 2. С. 50-53.

54. Пат. RU122050U1, МПК B21D 26/02. Устройство для получения сложно-профильных оболочек из трубных заготовок в состоянии сверхпластичности / Панченко Е.В., Алексеев П.А., Туркин К.А. и др. - Опубл. 20.11.2012. - Бюл. №32.

55. Писаренко Г.С., Можаровский Н.С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести. Киев: Наук, думка, 1981. 496 с.

56. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1968. 283с.

57. Разработка ресурсосберегающих технологий на основе оптимизации структуры и свойств материалов / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, Е.М. Селедкин, Е.В. Панченко и др. Тула: ТулГУ, 2000. 221 с.

58. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993. 240 с.

59. Сабоннадьер Ж.-К., Кулон Ж.-Л. Метод конечных элементов и САПР / пер. с франц. М.: Мир, 1989. 190 с.

60. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989. 432 с.

61. Сафиулин Р.В., Еникеев Ф.У. Расчет режимов сверхпластической формовки протяженной прямоугольной мембраны // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2001. №3. С. 35 — 40.

62. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов. Пер. с англ. / под ред. Пейтона Н., Гамильтона К. М. Металлургия. 1985. 312 с.

63. Сверхпластичность и износостойкость в машиностроении / Г.Б. Строганов, O.A. Кайбышев, О.Х. Фаткуллин, В.Н. Мартынов. М: Альтекс. 2002. 322 с.

64. Селедкин Е.М., Панченко Е.В., Зотов A.C. Управление утонением стенок при газостатической формовке деталей из листа // Известия ТулГУ. Сер. "Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением". 2003. Вып. 1.С. 143-147.

65. Селедкин Е.М., Цепин М.А., Апатов К.Ю., Коровкин О.Н. Моделирование процессов сверхпластической формовки полых оболочек из листа // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2005. №11. С. 21 - 24.

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

67. Смирнов О.М. Перспективные процессы формовки сверхпластичных сплавов // Металлург. 2010. №8. С. 29-33.

68. Смирнов О.М. Сверхпластичность материалов: от реологии к технологии // Кузнечно-штамповочное производство. 1998. №2. С. 18 — 23.

69. Теория пластических деформаций металлов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, B.JI. Колмогоров и др.; под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1983. 598 с.

70. Тюкачев H.A., Илларионов И.В. Программирование графики в Delphi. СПб.: БХВ-Петербург, 2008. 784 с.

71. Фленов М.Е. Библия Delphi. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 880 с.

72. Хилл Ф. OpenGL. Программирование компьютерной графики. Для профессионалов / 2-е изд., пер. с англ.СПб.: Питер, 2002. 1088 с.

73. Чумаченко E.H. Анализ, разработка и оптимизация инновационных технологий, систем и процессов // Вестник российской академии естественных наук. 2011. №2. С. 35-41.

74. Чумаченко E.H., Малый В.И. Применение имитационного моделирования к определению технологических параметров производства алюминиевых оболочек большого диаметра // Металлург. 2008. №2. С. 31 - 35.

75. Чумаченко E.H. Моделирование процесса деформирования оболочек из титановых сплавов в условиях пониженных температур сверхпластичности // Механика твердого тела. 2004. №6. С. 151 - 166.

76. Чумаченко E.H., Логашина И.В. Математическое моделирование и оптимизация процессов деформирования металлов при обработке давлением. М.: ООО НПП ЭКОМЕТ, 2008. 400 с.

77. Чумаченко E.H., Логашина И.В., Аксенов С.А., Бортник O.A. Оценка пространственного формоизменения оболочек по их критическим сечениям // Вестник машиностроениия. 2006. №7. С. 49 - 54.

78. Чумаченко E.H., Портной В.К., Аксенов С.А., Рылов Д.С. Сверхпластическая формовка титановых оболочек в широком диапазоне температур // Машиностроитель. 2004. №8. С. 34 - 38.

79. Чумаченко E.H., Смирнов О.М. Сверхпластичность: материалы, теория, технологии. М.: КомКнига, 2005. 320 с.

80. Чумаченко E.H., Цепин М.А., Чекин A.B., Панина О.Н. Анализ влияния структуры на формоизменение заготовки при листовой сверхпластичной формовке // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. № 7. С. 3 - 7.

81. Шабров H.H. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей. Л.: Машиностроение, 1983. 212 с.

82. Штамповка с кручением / H.A. Шестаков, A.B. Власов, В.А. Демин, В.Н. Субич. М.: МГИУ, 2008. 389 с.

83. Яковлев С.С., Ларин С.Н. Деформирование анизотропной прямоугольной мембраны в условиях ползучести // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 37-46.

84. Яковлев С.С., Ларин С.Н. Характер формоизменения при изотермическом стесненном деформировании анизотропной листовой заготовки в прямоугольную матрицу // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 1. С. 50 - 62.

85. Яковлев С.С., Яковлев С.П. Теория и технология изотермической штамповки анизотропных листовых материалов в режиме кратковременной ползучести. Тула: ТулГУ, 1996. 126 с.

86. Abdel-Wahab El-Morsy, Ken-ichi Manabe, Hisashi Nishimura. Superplastic forming of AZ31 Magnesium Alloy Sheet into Rectangular Pan // Materials Transactions. 2002. Vol. 42. P. 2443 - 2448.

87. Alves M.L., Rodrigues J.M.C., Martins P.A.F. Cold forging of a spider: experimental and theoretical investigation [Электронный ресурс]: European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS 2004 / P. Neittaanmâki, T. Rossi, К. Majava, and O. Pironneau (eds.) R. Owen and M. Mikko-la (assoc. eds.); Jyvaskyla, 2004. Режим доступа: http://www.imamod.ru.

88. Geschini L., Afrikantov A. Superplastic forming of Materials and SPF Combined with Diffusion Bonding: Technological and Design Aspects // Metallurgical Science and Technology. 1992. Vol. 10. P. 41 - 55.

89. Horita Z., Furukawa M., Nemoto M., Barnes A.J., Langdon T.G. Superplastic forming at high strain rates after severe plastic deformation // Acta Materialia. 2000. Vol. 48. P. 3633-3640.

90. Kobayashi S, Oh S, Altan T. Metal Forming and the Finite Element Method. New York: Oxford University Press. 1989. 377 p.

91. Lee J.H., Song Y.J., ShinD.H., Lee C.S. Microstructural evolution during superplastic bulge forming of TÍ-6A1-4V alloy // Materials Science and Engineering. A243. 1998. P. 119-125.

92. Milenin A.A., Dyja H., Mroz S. Simulation of metal forming during multi-pass rolling of shape bars // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 153 -154. P. 108-114.

93. Nikishkov G.P. Programming Finite Elements in Java. London: Springer, 2010. 402 p.

94. R Ashwath Narayan, К Jayaprakasan, V Karthik Balachander, J В Bhattacharjee. Automation of superplastic formation using virtual instrumentation // GESJ: Computer Science and Telecommunications. 2010. №3. P. 3 - 17.

95. Wang Peng, Dong Xiang-huai, Fu Li-jun. Simulation of bulk metal forming processes using one-step finite element approach based on deformation theory of plasticity // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010. Vol. 20. P. 276-282.

96. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The Finite Element Method. Volume 1: Basis. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2000. 689 p.

300041, г. Тула, а/я 538, тел./факс: [phone] www.vulkantm.com e-mail: ¡[e-mail]

Научно-производственное предприятие

"Вулкан-ТМ"

tt

Гг?

Г

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор

научных положений кандидатской диссертации аспиранта ФГБОУ ВПО ТулГУ Алексеева Павла Алексеевича на тему «Сверхпластическая формовка пространственных оболочек».

Акт научно-технической koiv о рекомендации к использов

Научно-техническая комиссия в составе зам. генерального директора, канд. техн. наук Гордеева Е.И., ведущего специалиста, канд. техн. наук Варьяша Г.М. составили настоящий акт в том, что следующие научные положения кандидатской диссертации:

- разработанная математическая модель деформирования заготовки газовой средой и реализованный на ее основе программный комплекс для конечно-элементного моделирования процессов сверхпластической формовки пространственных оболочек из листовых и трубных заготовок;

- предложенная технологическая схема формообразования крупногабаритных полусферических оболочек с разнотолщинностыо стенки до 15%;

- основные технологические рекомендации по проектированию технологических процессов и конструкция устройства для получения сложнопрофильных оболочек,

рекомендованы к использованию для изготовления оболочек для керамических форм, а также ряда отдельных деталей.

Применение математического моделирования для определения основных технологических параметров процесса формообразования изделий позволяет снизить себестоимость производства за счет экономии материалов ориентировочно до 40...45%. Автоматизация расчетов программ управления формообразованием позволяют снизить временные и финансовые затраты на этапе конструирования и подготовки производства ориентировочно в 2,5 - 3 раза.

Зам. генерального директора канд. техн. наук Ведущий специалист, канд. техн. наук.

Е.И. Гордеев

Г.М. Варьяш

Утверждаю

»Еенеральиый директор Д^ООО ^отор-инженеринг»

^Щ^Ь^-тШлап В.Ю.

* \ 4 ,

Об использовании результатов, полученных в кандидатской диссертационной работе «Сверхнластическая формовка пространственных оболочек», выполненной аспирантом ФГБОУ ВПО ТулГУ Алексеевым Павлом Алексеевичем

В опытном конструкторско-технологическом отделе ООО «Ротор-инжеиеринг» при разработке новых технологических процессов изготовления тонкостенных сложнолрофильных оболочек использованы рекомендации по математическому моделированию процессов деформирования листовых и трубных заготовок сверхпластической формовкой, позволяющие расширить технологические возможности при обработке конструкционных материалов на основе титана и алюминия.

Разработанный автором диссертации подход к внедрению компьютерной техники в практику проектирования новых технологических процессов с определением основных технологических параметров и прогнозирования геометрических размеров будущих изделий значительно сокращает время технологической подготовки производства новых изделий, исключает часть лабораторных испытаний образцов.

Разработанные методики трехмерного моделирования и оригинальное программное обеспечение позволяют выполнять расчеты прелрамм управления силовыми параметрами при формоизменении листовых и трубных заготовок в режиме сверхпластической деформации для получения деталей достаточно сложных форм, прогнозировать распределения утонения стенки по сечению деталей и дают возможность проектирования специальной оснастки, позволяющей снизить разнотолщинность до 15%.

Разработанный автором программный комплекс позволяет снизить временные и финансовые затраты на этапе технологической подготовки производства ориентировочно в 2 - 2,5 раза.

Заведующий конструкторским отделом Логинов В.Т

/

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Отдельные результаты кандидатской диссертационной работы «Сверхпластическая формовка пространственных оболочек» аспиранта Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» Алексеева П.А., посвященной созданию научно-обоснованного подхода к определению технологических режимов сверхпластической формовки деталей пространственных форм из труднодеформируемых сплавов, учитывающего трехмерный характер течения нелинейно-вязкого материала, действие сил контактного трения и позволяющего прогнозировать геометрические параметры формуемых деталей, использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, в лекционных курсах «Компьютерное моделирование техпроцессов листовой штамповки», «Технология листовой штамповки», «Теория обработки металлов давлением», «Механика процессов пластического формоизменения» при подготовке бакалавров и магистров техники и технологии по направлению 150700 «Машиностроение» профиля «Машины и технология обработки металлов давлением» и магистров техники и технологии по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» профиля «Высокоэффективные методы обработки металлов давлением».

Зав. каф. МПФ, д.т.н., профессор

С.С. Яковлев