Технологія багатоперехідного закритого штампування авіаційних деталей із алюмінієвих сплавів з оцінкою ресурсу пластичності

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО

"Харківський авіаційний інститут"

УДК 629.7.02.002:621.7

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЕХНОЛОГІЯ БАГАТОПЕРЕХІДНОГО ЗАКРИТОГО ШТАМПУВАННЯ АВІАЦІЙНИХ ДЕТАЛЕЙ ІЗ АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ З ОЦІНКОЮ РЕСУРСУ ПЛАСТИЧНОСТІ

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

ШИПУЛЬ ОЛЬГА ВОЛОДИМИРІВНА

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Мещеряков Олександр Миколайович, кандидат технічних наук, доцент, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків, доцент кафедри технології виробництва літальних апаратів.

Офіційні опоненти:

Бабушкін Анатолій Іванович, доктор технічних наук, професор, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків, професор кафедри економічної теорії;

Савченко Микола Федорович, кандидат технічних наук, доцент, Харківський національний економічний університет, м. Харків, доцент кафедри техніки та технології.

Захист відбудеться 25.01.2008 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий 22.12.2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Застела.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В авіаційній промисловості гаряче об'ємне штампування в закритих штампах використовується для виготовлення особливо відповідальних виробів, що працюють при високому тиску, підвищених температурах і в умовах підвищеної корозійної активності. До подібного роду деталей відносяться елементи повітряних, гідравлічних та інших систем, наприклад кришки, фланці і перехідники пневмо- та гідроциліндрів авіаційних агрегатів. За сумою технологічних і службових властивостей для виготовлення деталей відповідального призначення найбільшого поширення набули алюмінієві сплави марок АК 4-1 і АМг 6.

Стандарти авіаційно-космічної галузі визначають, що поковки, які є заготовками для деталей особливо відповідальних виробів слід виготовляти гарячим штампуванням у закритих штампах з попереднім фасонуванням. У сучасному авіаційному виробництві у більшості випадків розробка технології багатоперехідного закритого штампування є суто емпіричним процесом, результати якого багато в чому залежать від кваліфікації технолога. Це пояснюється значними труднощами здійснення технологічних процесів закритого штампування, пов'язаними з появою різних дефектів та руйнувань внаслідок недостатньо вивченою картиною пластичної течії металу, відсутністю загальноприйнятої методики вибору форми і розмірів заготовок за переходами, а також рекомендацій з проектування конструкції штампа. Для встановлення таких параметрів технологічних процесів, що не тільки виключають руйнування матеріалу в процесі пластичної деформації, але і таких, що забезпечують досягнення необхідного рівня властивостей виготовлених поковок, необхідно проводити комплексні дослідження, спрямовані на оцінювання ресурсу пластичності у заданому діапазоні силових і кінематичних параметрів. Традиційні методи проектування, відпрацювання і освоєння технології передбачають перевірку великої кількості варіантів, що значно збільшує терміни технологічної підготовки дрібносерійного виробництва, яке характерне для авіаційної галузі. У разі багатоперехідного закритого штампування такий підхід часто взагалі не дозволяє одержати позитивний результат стосовно отримання якісних деталей. В зв'язку з цим в реальному виробництві застосовують інші способи виготовлення поковок, наприклад, відкрите штампування. При цьому для забезпечення заповнення гравюри штампа доводиться використовувати надмірний напуск і припуски, внаслідок чого об'єм штампованої поковки на 20 % і більше перевищує той, що визначено відповідними стандартами. Крім того, відмова від фасонування заготовки за декілька переходів в закритому штампі не дозволяє одержати необхідну структуру матеріалу, що суперечить діючим галузевим стандартам.

У зв'язку з цим актуальними є питання удосконалення технології багатоперехідного закритого штампування на основі сучасних методів математичного моделювання, що містять визначення потрібної кількості переходів штампування, форми і розмірів заготовки по переходах, а також рекомендацій щодо проектування штампів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладено матеріали, що узагальнюють дослідження, виконані автором в межах реалізації держбюджетних тем Міністерства освіти і науки України: Д/Р 0103U005065 "Розробка методології синтезу сучасних виробів авіаційно-космічної техніки"; Д/Р 0106U001045 "Методологічні основи проектування сучасних технологічних процесів виготовлення деталей і вузлів літальних апаратів"; Д/Р 0104U002421 "Створення системної методології виробництва авіаційно-космічної техніки за допомогою сучасних CALS-технологій"; Д/Р 0102U004184 "Моделі та інформаційні технології створення віртуальних машинобудівних виробництв"; Д/Р 0100U003434 "Методологічні основи синтезу перспективних конструкцій літальних апаратів на базі сучасних технологій і матеріалів".

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження полягає в удосконаленні технології багатоперехідного закритого штампування вісесиметричних авіаційних деталей з алюмінієвих сплавів з урахуванням ступеня використання ресурсу пластичності.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

– визначити номенклатуру авіаційних деталей, заготовки яких регламентовано одержувати багатоперехідним закритим штампуванням, і основні чинники, що впливають на поведінку найпоширеніших алюмінієвих сплавів в процесі формозміни;

– визначити напружено-деформований стан поковок особливо відповідальних деталей ЛА на всіх етапах багатоперехідного закритого штампування з використанням розроблених математичних моделей квазістаціонарних процесів формозміни;

– одержати діаграми пластичностей сплавів АК 4-1 і АМг 6 при кувальних температурах шляхом статистичної обробки результатів експериментів;

– розробити методику визначення необхідної кількості переходів багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА, форми і розмірів заготовок по переходах і вибору геометричних параметрів штампової оснастки, які забезпечують отримання поковок із заданими структурою і властивостями;

– сформулювати технологічні рекомендації з визначення кількості переходів багатоперехідного закритого штампування, геометрії штампової оснастки і заготовок по переходах, які забезпечують бездефектне отримання поковок із заданими структурою для деталей з мінімальною масою.

Об'єкт дослідження - це технологія багатоперехідного закритого штампування авіаційних деталей із алюмінієвих сплавів.

Предмет дослідження - технологічні параметри багатоперехідного закритого штампування (кількість переходів, форма і розміри заготовок по переходах, конфігурація елементів штампової оснастки), визначені на основі оцінки ресурсу пластичності.

Методи дослідження. Для визначення напружено-деформованого стану розглянутих систем були використані рівняння механіки суцільного середовища, теорії пластичності й теплопровідності. Методом кінцевої формозміни оцінено деформівність сплавів АК 4-1 і АМг 6. З використанням елементів математичної статистики шляхом узагальнення результатів експериментів були одержані діаграми пластичності досліджуваних сплавів. Методами макроструктурного дослідження металографії і електронної мікроскопії досліджено деформований стан поковок типу кришка. Система диференціальних рівнянь математичних моделей розв'язувалася методом скінченних елементів.

Наукова новизна одержаних результатів. Запропоновано науково обґрунтований підхід, заснований на аналізі граничної формозміни, який дозволяє визначати раціональні параметри технологічного процесу багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА із алюмінієвих сплавів.

Розроблено математичні моделі процесів пластичної течії і теплопередачі, що супроводжують штампування класу вісесиметричних поковок деталей ЛА із алюмінієвих сплавів, які дозволяють досліджувати картину течії металу, визначати його напружено-деформований стан і прогнозувати виникнення руйнувань у процесі формоутворення.

Експериментально-розрахунковим методом при кувальній температурі вперше одержано діаграми пластичності широко використовуваних в конструкціях ЛА алюмінієвих сплавів АК 4-1, АМг 6, які дозволяють підвищити достовірність оцінки технологічної пластичності сплавів залежно від схеми напруженого стану.

Реалізовано новий підхід до інтеграції даних про форму і розміри поковок по переходах штампування, одержаних у розрахунково-міцнісних пакетах (CAE) з виробничо-технологічними комплексами (CAD/CAM), який дозволяє автоматизувати проектування і виготовлення штампової оснастки для скорочення термінів підготовки дрібносерійного виробництва.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика проектування технології багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА дозволяє з мінімальними витратами часу і засобів визначати потрібну кількість переходів закритого штампування, форми і розміри заготовок по переходах, а також виробити рекомендації щодо проектування штампової оснастки.

Обґрунтований перехід від штампування алюмінієвих сплавів у відкритому штампі до багатоперехідного штампування в закритому штампі дозволяє одержувати поковки із розташуванням зон деформаційного опрацьовування металу відповідно до профілю чистової деталі, забезпечує відсутність зон зі зниженими механічними властивостями, що дає можливість отримувати деталі з мінімальною масою. При цьому коефіцієнт використання матеріалу підвищується на 30 % за рахунок зменшення технологічних припусків і штампувальних уклонів.

Розроблено програму у вигляді прикладної бібліотеки системи автоматизованого проектування "КОМПАС - Графік", що здійснює передачу даних про форму і розміри поковок по переходах, дозволяє автоматизувати процес проектування і виготовлення штампової оснастки і таким чином скоротити терміни підготовки дрібносерійного виробництва.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних розробок і експериментальних досліджень належать особисто автору. В роботах, написаних в співавторстві, здобувачу належать: побудова діаграм пластичності сплавів АК 4-1 і АМг 6, розробка квазістатичних скінченно-елементних моделей процесів формозміни, проведення і аналіз результатів чисельних і експериментальних досліджень; формулювання висновків і рекомендацій. Розробка методики граничної формозміни на основі системи математичного моделювання, а також програми у вигляді прикладної бібліотеки САПР здійснювалася спільно із співробітниками кафедри технології літакобудування, прізвища яких наведено в списку публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, розділи і результати роботи докладалися автором на міжнародній науково-технічній конференції "Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні" ІКТМ'2003, ІКТМ'2004, ІКТМ'2005, ІКТМ'2006, ІКТМ'2007 (м. Харків, 2003-2007 рр.); на міжнародній науково-технічній конференції "Проектування та виробництво літаків і вертольотів" (с. Рибаче, 2003 р.), на міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми створення та використання авіаційної техніки" (м. Харків, 2004 р.), на міжнародній науково-технічній конференції "Авіаційно-космічна техніка і технологія" (м. Харків, 2005 р.), на міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки" (м. Харків, 2006-2007 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у семи статтях (дві статті без співавторства) в збірниках наукових праць видань переліку ВАК України (бюл. №4, 5, 1999 р.), десяти матеріалах і тезах конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації складає 160 сторінок, у тому числі: 76 рисунків на 35 сторінках, 17 таблиць на 11 сторінках, список використаних джерел із 77 найменувань на 7 сторінках, 2 додатки на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло викладено сучасний стан проблеми і обґрунтовано актуальність дослідження, показано наукову новизну, практичну цінність роботи, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію роботи, публікації, структуру й об'єм дисертації.

У першому розділі проаналізовано номенклатуру поковок особливо відповідальних деталей ЛА і матеріалів, що використовуються для їх виготовлення. Для дослідження виділено деталі типу фланець і кришка із алюмінієвих сплавів АК 4-1 і АМг 6 відповідно. Наведено можливі способи виготовлення цих деталей і обґрунтовано необхідність їх отримання методом гарячого багаторівчакового штампування в закритих штампах. Указано основні проблеми, що виникають при впровадженні технологічного процесу багатоперехідного закритого штампування, зокрема визначення його параметрів (кількості переходів, форми і розмірів заготовок по переходах і відповідних їм проміжних штампів), які забезпечують бездефектне отримання поковок. Для вирішення цих проблем в дисертації сформульовано мету і задачі дослідження.

Другий розділ присвячено розробці математичної моделі процесу гарячого об'ємного штампування вісесиметричних деталей. Для аналізу процесів гарячої пластичної деформації необхідно вирішувати зв'язану задачу пластичної течії і теплопровідності. Для вирішення системи диференціальних рівнянь використовується метод скінченних елементів із обґрунтовуванням скінченно-елементної дискретизації областей.

Силова і геометрична симетрія даних технологічних систем (рис. 1) є підставою для використання двовимірної вісесиметричної постановки вирішуваної задачі теорії пластичності. В цьому випадку задача теорії пластичності при дії на тіло поверхневих сил , а також при заданих діаграмою деформаційного зміцнення властивостей матеріалу зводиться до визначення 13 невідомих функцій в циліндричній системі координат: компонент тензора напружень ; компонент тензора деформацій ; компонент вектора переміщення ; інтенсивності напружень та інтенсивності деформацій . Для знаходження вказаних функцій використано рівняння теорії пластичності: диференціальні рівняння рівноваги; геометрично нелінійні співвідношення між компонентами тензора деформацій і компонентами вектора переміщень, слушні для кінцевих переміщень і деформацій; рівняння сумісності деформацій; умова нестисливості. Математична модель замикається білінійним фізичним законом деформаційного зміцнення металу.

Для вирішення загальної системи рівнянь пластичної течії матеріалу використано умову балансу потужностей внутрішніх і зовнішніх сил. Застосовуючи екстремальний принцип до рівняння балансу потужностей, для скінченно-елементної моделі одержано систему нелінійних рівнянь:

, (1)

де - матриця жорсткості; - вектор швидкостей переміщень вузлів елементів; - вектор зусиль у вузлах елементів.

Для початкового моменту часу значення компонент поля деформацій і швидкостей деформацій задають нульовими для всієї області.

Граничними умовами для даних задач є механічні й термічні умови. Механічні умови є силовими на вільній поверхні заготовки (ділянки Г ₁ на рис. 1), де задано вектор навантаження , і кінематичними на контактній поверхні штампа з металом (ділянки Г ₂ на рис. 1), де задано закон зміни відносної швидкості ковзання металу на поверхні інструменту і закон руху інструменту, який записано для нормальної складової вектора переміщення:

.

Кінематична умова на контактній поверхні доповнена фізичним законом зовнішнього тертя Амонта-Кулона. Граничні умови для вирішення температурної задачі задані у вигляді ідеального теплового контакту. На кожній стадії процесу розглядається квазістатична задача. При цьому на вільній поверхні заготовки (ділянки Г ₁ на рис. 1) тепловий потік через одиницю контактної поверхні рівний нулю , а на контактуючих ділянках (ділянки Г ₂ на рис. 1) розподіл теплових потоків залежить від коефіцієнтів теплової активності

контактуючих металів заготовки і оснастки.

Теплопередача в об'ємі металу, що деформується, описана рівнянням Фур'є - Кирхгофа. Для скінченно-елементної моделі одержано систему нелінійних рівнянь:

, (2)

- матриця жорсткості; - вектор вузлових значень температури елементів тіла; - вектор складових теплового потоку.

Рівняння (1) і (2) є визначальними рівняннями моделі прогнозування термо-деформаційних параметрів при закритому штампуванні.

Проведено оцінку адекватності розробленої моделі шляхом порівняння результатів математичного моделювання з відомими експериментальними даними. Встановлено, що відхилення розрахункових значень висотної деформації від експериментальних лежить в межах від 5 до 11 %, а відмінність форми бочки в трьох перерізах не перевищує 5 %. Відмінність набутих значень питомих зусиль становить 9 %.

Третій розділ присвячено розробці та реалізації методики визначення параметрів техпроцесу багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА на основі аналізу граничної формозміни з використанням системи математичного моделювання.

Проектування технологічних процесів штампування поковок із заданими властивостями полягає в знаходженні для кожної стадії деформації таких початкових параметрів, щоб їх кінцеві значення знаходилися всередині допустимої області. Для даної задачі в певний момент часу () у кожній точці об'єму металу, що деформується (), цим початковим параметром є інтенсивність нагромаджених деформацій .

Для оцінки деформованості сплавів в роботі використано теорію деформованості, в основу якої покладено припущення про існування при певній температурі єдиної залежності граничної характеристики матеріалу від показника схеми напружено-деформованого стану - діаграми пластичності сплаву.

Щоб визначити можливість надання металу заданого ступеня деформації, використано теорію В.Л. Колмогорова, згідно з якою здатність тіла витримувати необхідну формозміну без руйнування оцінюється ступенем використання ресурсу пластичності:

. (3)

При цьому умова відсутності руйнування в кожній точці тіла має вигляд:

. (4)

Описані вище положення покладено в основу розробленої методики визначення параметрів техпроцесу закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА: необхідної кількості переходів штампування, форми і розмірів заготовок по переходах, вибору гравюри штампа. Згідно з методикою передбачається використання середовища математичного моделювання, що керується алгоритмом, поданим на рис. 2. Суть методики полягає в такому.

Відповідно до геометрії необхідної поковки створюються скінченно-елементні моделі початкової заготовки (з ряду стандартного прокату) і штампа з чистовою гравюрою .

Задаються реологічні властивості і діаграма пластичності матеріалу поковки, що відповідають заданій температурі протікання процесу. Навантаження системи відбувається згідно з кінематикою процесу, що задається залежністю (i - кількість проходів за алгоритмом), і кроком інтегрування за часом .

Размещено на http://www.allbest.ru/

На кожному кроці інтегрування визначаються поточна геометрія заготовки, всі параметри напружено-деформованого стану металу. Далі в кожній точці деформованого об'єму металу обчислюється показник схеми напруженого стану , за заданою діаграмою пластичності визначається граничне значення деформацій. За знайденими показниками деформованого стану і значеннями граничних деформацій обчислюється розподіл ступеня використання ресурсу пластичності в об'ємі поковки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Якщо даний крок інтегрування менше кінцевого часу процесу навантаження і на даному кроці умова відсутності руйнування (4) виконується, то розрахунок продовжується. Якщо даний крок інтегрування відповідає кінцевому часу процесу навантаження і на даному кроці умова відсутності руйнування (4) виконується, то робиться висновок про потрібний і достатній один перехід штампування , а геометрія гравюри штампа відповідає геометрії необхідної остаточної поковки . Якщо умова відсутності руйнування (4) не виконується при першому проході за алгоритмом ()на кроці інтегрування, який менше кінцевого часу процесу навантаження , то досягнута геометрія поковки запам'ятовується (надалі відповідно до цієї геометрії визначається гравюра штампа першого проміжного переходу ), відбувається розвантаження системи і продовжується навантаження заготовки в штампі з чистовою гравюрою. Цикл розрахунку відбувається доти, поки на кроці інтегрування, що відповідає кінцевому часу процесу деформації, ступінь використання ресурсу пластичності не перевищить значення, що дорівнює 1. При цьому кількість переходів штампування дорівнюватиме кількості повних проходів за алгоритмом .

Згідно з описаною методикою передбачається наявність достовірних даних про граничні значення деформацій в діапазоні силових і кінематичних параметрів, задану чисельно або функціонально в системі математичного моделювання. З цією метою для досліджуваних сплавів АК 4-1 і АМг 6 при кувальній температурі розрахунково-експериментальним методом побудовано діаграми пластичностей, наведені на рис. 3. Для побудови діаграм використано відомі значення граничних деформацій сплавів (випробування на стиснення і крутіння), а також одержані за результатами технологічних проб зразків (випробування на розтягнення). За допомогою системи математичного моделювання уточнено значення показників схеми напруженого стану, що відповідають вказаним видам випробувань. Для апроксимації набутих значень використано залежності (5), запропоновані Г.Д. Козловим:

. (5)

За допомогою розроблених математичних моделей досліджено і детально описано процес формозміни металу в порожнині закритого штампа при отриманні поковок типа фланець і кришка. За розробленою методикою проведено аналіз граничної формозміни на всіх етапах штампування. Встановлено, що одержати задану геометрію фланця (рис. 4, а) із сплаву АК 4-1 за один перехід штампування в чистовому рівчаку закритого штампа за заданих умов неможливо через перевищення граничної пластичності сплаву. Тому для досягнення необхідної геометрії фланця необхідно ввести додатковий перехід штампування і проміжний відпал заготовки.

Одержані розподіли ступеня використання ресурсу пластичності сплаву АМг 6 по стадіях процесу штампування в закритому штампі поковки типу кришка (рис. 4, б) при прониканні пуансона радіусом 25 мм (відповідно до пуансона при отриманні кришки за серійною технологією у відкритому штампі) свідчать про те, що із сплаву АМг 6 поковку типу кришка при аналогічних штампуванню фланця умовах можна одержати за один перехід штампування в чистовому рівчаку закритого штампа, оскільки на всіх стадіях деформації значення ресурсу пластичності в об'ємі деформованого металу на перевищують 0,8, тобто умови руйнування не виконуються. Тільки на завершальній стадії процесу штампування в області утворення торцевої задирки, ресурс пластичності становить більше 1, проте цей факт не впливає на якість одержуваної поковки.

Четвертий розділ присвячено питанням проектування багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА.

За методикою, описаною в розділі 3, проаналізовано вплив розмірів початкової заготовки на розподіл ступеня використання ресурсу пластичності сплаву, що деформується в порожнині закритого штампа, при отриманні поковки типу фланець. Дослідження проводилися для таких варіантів заготовок, які дають різні схеми течії металу в порожнині штампа. Встановлено, що найсприятливішою схемою деформації фланця є прямо-зворотно-поперечне видавлювання. Для сплавів АК 4-1 і АМг 6 одержано діаграми ступенів використання ресурсу пластичності (рис. 5, а) і величини максимального обтиснення (рис. 5, б) залежно від геометричних параметрів первинної заготовки і характерних розмірів фланця (діаметра полотна), що дозволяють визначити розміри первинної заготовки, що забезпечує отримання поковки типу фланець в порожнині закритого штампа з якнайменшою кількістю переходів.

Проведено порівняльний аналіз результатів розв'язання задачі граничної формозміни металу при штампуванні фланців, одержаних за запропонованою методикою і існуючою в практиці ковальсько-штампувального виробництва на авіаційних підприємствах. Встановлено, що при визначенні можливості надання заданих ступенів деформацій необхідно враховувати шлях деформації металу за схемою напруженого стану. Так, кінцевий ступінь деформації, який досягається поперечним видавлюванням, розрахований за традиційною методикою, становить е = 89,32 % ( = 2,2 див. пряму а на рис. 6), а при комбінованому видавлюванні - е = 68,75 % ( = 1,16, див. пряму b на рис. 7).

Згідно з інструкцією ВІАМ в практиці ковальсько-штампувального виробництва для сплаву АК 4-1 використовують значення гранично допустимої при кувальній температурі деформації, що дорівнює е_р = 90 % (_р = 2,3, див. пряму с на рис. 6). Відповідно до цього робиться висновок про те, що в обох варіантах деформації граничні значення деформацій не досягаються, що припускає можливість отримання заданої геометрії деталі за один перехід штампування. Проте даний висновок є помилковим, оскільки в оцінках закладено припущення про те, що рух частинок, що деформуються, відбувається при постійному показнику схеми напруженого стану (тут при П?=- 1), тобто за траєкторіями АВ, АС (рис. 6). Насправді ж, напружено-деформований стан різних частинок металу поковки змінюється в процесі формоутворення різним чином. Гранично допустима формозміна визначається точкою перетинання траєкторії деформації частинки металу в небезпечній зоні (криві AD і EF на рис. 6) з діаграмою граничної пластичності сплаву в системі координат (?_р-П?) (крива HG на рис. 6). Урахування цього факту показує, що нагромаджена деформація в небезпечних зонах поковок досягає граничної пластичності металу значно раніше. Як наслідок для обох даних варіантів деформації заготовок досягнення заданої геометрії фланця за один перехід штампування неможливе з причини їх руйнування.

Проведено ретельний аналіз серійної технології отримання поковки типу кришка гідроциліндра ЛА і за допомогою розробленої методики встановлено можливість утворення внутрішніх розтріскувань. Зони прогнозованих внутрішніх розтріскувань збігаються із зонами дефектів відбракованих деталей (рис. 7).

Запропоновано технологію штампування кришки із сплаву АМг 6 в порожнині закритого штампа, яка забезпечує не тільки істотне підвищення коефіцієнта використовування матеріалу порівняно з облойним штампуванням, але головне - високий ступінь опрацьовування металу в зонах, що відповідають профілю чистової деталі, за рахунок створення умов всебічного стиснення при прониканні пуансона радіусом 28мм і відсутності зон зі зниженими механічними властивостями, розташованих в місцях виходу металу в облой. Визначено необхідну кількість переходів для отримання бездефектної поковки типу кришка - два переходи штампування в закритому штампі. За одержаною геометрією проміжної поковки визначено гравюру штампа першого переходу штампування. Спроектовано штампи першого і другого переходу (рис. 8) з такими конструктивними рішеннями:

– Чистова гравюра матриці незмінна, отримання дна поковки першого переходу штампування забезпечується за рахунок використання обмежувальної вставки. На додаток до основної функції обмежувальна вставка дозволяє вирішити питання установлення і центрування заготовки в порожнині матриці, що особливо актуально при процесах гарячого штампування.

– Формотвірна частина геометрії пуансона прийнята такою, що відповідає гравюрі верхньої частини облойного штампа, оскільки на першому переході необхідно обмежити сумарні деформації в області проникнення пуансона. Крім того, перерозподіл картини течії металу на користь прямого видавлювання і тривалого осідання без бокового підпору дозволяє з меншими зусиллями заповнити важкодоступні ділянки штампа.

– Як виштовхувач використано обмежувач висоти бобишки кришки.

Проведено аналіз формозміни металу в порожнині штампа по переходах штампування. Визначено максимальний ступінь використання ресурсу пластичності по переходах, який на першому і другому переходах штампування становить 0,25 і 0,41 відповідно. За одержаними картинами розподілу деформацій в лініях Лагранжа та інтенсивностей деформацій зроблено висновок про достатньо високий рівень опрацьовування металу поковки в області, що відповідає профілю чистової деталі. Проведено оцінку потрібного зусилля штампування по переходах.

Обґрунтованість запропонованої технології багатоперехідного гарячого штампування в закритому штампі кришки гідроциліндра із алюмінієво-магнієвого сплаву АМг 6 доведено проведенням фізичних експериментів.

Процес деформації проводився в діапазоні температур заготовки 320...390 °С, що дозволило підвищити рівномірність деформаційного опрацьовування, а також стримувати розвиток в'язкої міжзеренної течії і одержати рівномірно дрібнозернисту структуру металу з підвищеною міцністю і пластичністю.

Експериментально одержано діаграми охолоджування заготовки, матриці та пуансонів, за якими було визначено максимально допустимий час проведення процесу штампування в межах указаного температурного режиму.

Проведено аналіз форми і розмірів експериментальних поковок (див. рис. 9), одержаних за два переходи штампування з попереднім фасонуванням в штампі першого переходу і за один перехід штампування із початкової заготовки в штампі з чистовою гравюрою. За результатами аналізу зроблено такі висновки. Технологія двоперехідного закритого штампування кришки дозволяє одержувати поковки, точні за формою і розмірами. Спроба одержати поковку за один перехід штампування призводить до появи таких серйозних дефектів, як неповне заповнення гравюри в кутах, ослаблення розмірів по зовнішньому діаметру і недоштампування по висоті.

Оцінка зусиль деформації по переходах показує, що отримання поковки за один перехід штампування з початкової заготовки потребує зусилля деформації на 19 % більше порівняно з двоперехідним штампуванням. При цьому подальше збільшення зусилля деформування з метою отримання необхідної форми і розмірів поковки не приводить до істотної зміни результатів.

Проведено аналіз макроструктури за допомогою растрового електронного мікроскопа. Фотознімки макроструктури шліфів поковок, що вивчаються, і відповідні їм розрахункові розподіли інтенсивностей деформацій наведено на рис. 10. Порівняння показує якісну погодженість розрахункових і експериментальних даних, що підтверджує адекватність розробленої математичної моделі процесу закритого штампування. За результатами аналізу металографії виявлено наступне.

Практично в усьому об'ємі поковки після першого переходу деформація металу рівномірна, і лише в області, що межує з обмежувальною вставкою, спостерігається велика зона ускладненої деформації. Так, уздовж осі симетрії глибина деформаційного опрацьовування металу досягає близько двох третин висоти поковки. Проте даний факт сприятливо позначається на картині деформації поковки на наступному переході через відсутність попередньо розтягнутих волокон.

При отриманні поковки на другому переході штампування реалізується схема видавлювання з ефектом витяжки, що характеризується незначною нерівномірністю деформацій за об'ємом поковки, проте розташування волокон металу, що максимально опрацьоване, відповідає профілю чистової деталі. технологія штампування алюмінієвий літальний

Проведено вимірювання твердості по Брінеллю початкової заготовки і поковок після першого і другого переходів. Результати показують високе опрацьовування металу в областях, що відповідають профілю чистової деталі. При цьому твердість підвищилася в середньому на 9 одиниць.

Складовою частиною проектування технології багатоперехідного штампування особливо відповідальних деталей ЛА є конструювання і виготовлення штампової оснастки. Слід зазначити, що для скорочення термінів підготовки виробництва в частині проектування штампової оснастки доцільним є використовування виробничо-технологічних комплексів (CAD/CAM). Гравюра оснастки розробляється на основі контуру потрібної поковки, який, у свою чергу, є результатом розрахунку на міцність. Як інструмент розрахунку на міцність використовують CAE-пакети. Результатом розрахунку на міцність у цьому пакеті є сукупність координат вузлів, що описують контур одержаної поковки. Щоб здійснити автоматизовану передачу геометрії поковок з CAE-пакета в CAD/CAM-комплекси розроблено програму у вигляді прикладної бібліотеки САПР.

На підставі проведених досліджень сформульовано технологічні рекомендації щодо гарячого штампування багатоперехідним закритим штампуванням деталей ЛА відповідального призначення. Зокрема, рекомендації стосуються визначення кількості переходів закритого штампування, вибору форми і розмірів заготовок по переходах, геометрії гравюри проміжних штампів, а також конструктивних елементів штампів, необхідної точності та термообробки заготовок, використовуваних мастил і устаткування.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено математичні моделі процесів пластичної течії і теплопередачі, які супроводжують закрите штампування вісесиметричних поковок особливо відповідальних деталей ЛА з алюмінієвих сплавів. Проведено оцінку адекватності розроблених моделей на основі існуючої експериментальної інформації. Розбіжність розрахункових і експериментальних даних не перевищує 11 %.

2. Розрахунково-експериментальним методом побудовано діаграми пластичностей при кувальних температурах алюмінієвих сплавів АК 4-1, АМг 6, що широко використовуються в конструкціях ЛА.

3. Розроблено методику визначення необхідної кількості переходів багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА, форми і розмірів заготовок по переходах, вибору геометричних параметрів штампової оснастки на основі оцінки ресурсу пластичності.

4. Запропоновано технологію багатоперехідного штампування відповідальних деталей ЛА з алюмінієвих сплавів і обґрунтовано її ефективність для отримання поковок, точних за формою і розмірами, з розташуванням волокон металу, що максимально опрацьовані, відповідно до профілю чистової деталі, що дає можливість отримувати деталі з мінімальною масою.

5. Експериментально встановлено, що використання закритого двоперехідного штампування при отриманні кришки гідроциліндра ЛА із сплаву АМг 6 забезпечує підвищення коефіцієнта використання матеріалу на 30 % порівняно з облойним штампуванням і зниження максимального зусилля деформування на 19 % порівняно з одноперехідним закритим штампуванням.

6. Сформульовано технологічні рекомендації щодо процесу багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА з алюмінієвих сплавів, які забезпечують отримання поковок із заданими структурою і властивостями.

7. Розроблено програму у вигляді прикладної бібліотеки САПР "КОМПАС - Графік", яка здійснює передачу даних про форму і розміри поковок по переходах з розрахунково-міцнісних CAE-пакетів у виробничо-технологічні CAD/CAM-комплекси. Це дозволяє автоматизувати проектування і виготовлення штампової оснастки для скорочення термінів підготовки дрібносерійного виробництва.

СПИСОК ПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шипуль О.В. Разработка методики проектирования технологического процесса получения авиационных деталей точной штамповкой с помощью интеллектуальной системы "Квант" // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. - Х.: НАКУ, 2002. - Вып.13. - С. 38-43.

2. Шипуль О.В. Методы расчета параметров процесса точной штамповки авиационных деталей сложной формы // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та "ХАИ". - Х., 2003. - Вып. 39/4. - С. 52-56.

3. Шипуль О.В., Мещеряков А.Н. Методика теоретических исследований формоизменения заготовки с оптимизацией переходов при штамповке авиационных деталей сложной формы // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т "ХАИ". - 2003. - Вып.19. - С. 158-162.

4. Шипуль О.В., Дыбский П.А., Мещеряков А.Н. Исследование параметров конечно-элементной модели при формоизменении осесимметричной заготовки // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - № 5(13). - С. 18-22.

5. Шипуль О.В., Дыбский П.А., Мещеряков А.Н. Исследование процесса объемного деформирования с помощью МКЭ // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т "ХАИ". - 2004. - Вып. 24. - С. 159-164.

6. Дыбский П.А., Мещеряков А.Н., Шипуль О.В. Исследование методом конечных элементов распределения напряжений на контактных поверхностях при осадке цилиндров // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. науч. тр. - Краматорск, 2005. - С. 25-29.

7. Кривцов В.С., Мещеряков А.Н., Дыбский П.А. Шипуль О.В. Анализ предельного формоизменения металла в полости закрытого штампа // Кузнечно-штамповочное производство. - 2007. - № 3. - С. 39-44.

В працях, написаних у співавторстві, авторові належать:

[3] - запропоновано методику теоретичних досліджень формозміни заготовки багатоперехідного штампування авіаційних деталей;

[4] - розроблено математичну квазістаціонарну двовимірну модель процесу формозміни циліндричної заготовки та проведено аналіз впливу параметрів скінченно-елементної моделі на збіжність результатів розрахунків;

[5] - проведено чисельні експерименти з дослідження процесу осадки циліндричної заготовки під дією стаціонарного навантаження і проаналізовано напружений стан контактних поверхонь;

[6] - побудовано діаграми пластичності сплавів АК 4-1 і АМг 6 при кувальних температурах;

[7] - проведено аналіз граничної формозміни металу в закритому штампі.

АНОТАЦІЯ

Шипуль О.В. Технологія багатоперехідного закритого штампування авіаційних деталей із алюмінієвих сплавів з оцінкою ресурсу пластичності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Харків, 2007.

Дисертацію присвячено проектуванню технології багатоперехідного закритого штампування особливо відповідальних деталей ЛА з алюмінієвих сплавів із заданими структурою і властивостями, включаючи дослідження в частині граничного формоутворення на базі науково обґрунтованих критеріїв аналізу дефектів і руйнування та математичного моделювання; створенню методики визначення параметрів технологічного процесу багатоперехідного штампування, яке спрямоване на удосконалення процесу проектування та виготовлення технологічного оснащення та орієнтоване на використання сучасних виробничо-технологічних програмних комплексів і скорочення термінів підготовки дрібносерійного виробництва.

Дисертація містить результати теоретичних і чисельних досліджень. Дослідження базуються на рівняннях механіки суцільних середовищ, теоріях пластичної течії та теплопровідності, результатах аналізу експериментальних і металографічних досліджень. Математичне моделювання виконано з використанням сучасних розрахунково-міцнісних CAE-пакетів і систем автоматизованого проектування.

Результати роботи передано для використання на АНТК "Антонов", на підприємство "ХАІ-Сервіс", застосовано в навчальному процесі в Національному аерокосмічному університеті "ХАІ".

Ключові слова: багатоперехідне закрите штампування, діаграма пластичності, ступінь використання ресурсу пластичності.

АННОТАЦИЯ

Шипуль О.В. Технология многопереходной закрытой штамповки авиационных деталей из алюминиевых сплавов с оценкой ресурса пластичности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Харьков, 2007.

Диссертация посвящена проектированию технологии многопереходной закрытой штамповки особо ответственных деталей ЛА из алюминиевых сплавов с заданными структурой и свойствами, включает в себя исследования в части предельного формоизменения на основе научно-обоснованного критерия анализа дефектов и разрушений посредством математического моделирования; построению экспериментально-расчетным методом диаграмм пластичности широко применяемых в конструкциях ЛА алюминиевых сплавов АК 4-1 и АМг 6 при ковочной температуре; разработке методики определения параметров технологического процесса многопереходной закрытой штамповки; разработке программы передачи данных о форме и размерах поковок по переходам из расчетно-прочностного пакета в производственно-технологические комплексы, направленной на усовершенствование процесса проектирования и изготовления штамповой оснастки и сокращение сроков подготовки мелкосерийного производства.

Целью исследования является усовершенствование технологии многопереходной закрытой штамповки осесимметричных авиационных деталей из алюминиевых сплавов с учетом степени использования ресурса пластичности.

Содержит результаты численных и экспериментальных исследований. Исследования базируются на теориях пластического течения и теплопроводности, уравнениях механики сплошной среды, а также на результатах экспериментальных и металлографических исследований. Математическое моделирование и реализация разработанной методики выполнены с использованием современного расчетно-прочностного пакета (CAE) и системы автоматизированного проектирования (CAD).

В диссертации получены следующие научные и практические результаты.

Определена номенклатура особо ответственных горячештамповочных авиационных деталей, заготовки которых регламентировано получать методом многоручьевой закрытой штамповки. Установлено, что по сумме технологических и служебных свойств для изготовления деталей ответственного назначения из алюминиевых сплавов наибольшее распространение в конструкциях ЛА получили сплавы АМг 6 и АК 4-1. В качестве основного параметра, позволяющего прогнозировать появление дефектов и разрушений при объемной штамповке, принята степень использования ресурса пластичности.

Разработаны математические модели процессов пластического течения и теплопередачи, сопровождающих штамповку класса осесимметричных поковок особо ответственных деталей ЛА из алюминиевых сплавов. Проведена оценка адекватности разработанных моделей на основе существующей экспериментальной информации. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 11 %.

Расчетно-экспериментальным методом построены диаграммы пластичностей при ковочной температуре широко используемых в конструкциях ЛА алюминиевых сплавов АК 4-1 и АМг 6, которые позволяют достоверно оценивать технологическую пластичность сплавов.

Разработана методика определения необходимого количества переходов многопереходной закрытой штамповки особо ответственных деталей ЛА, формы и размеров заготовок по переходам, выбора геометрических параметров штамповой оснастки на основе оценки ресурса пластичности.

Предложена технология многопереходной закрытой штамповки особо ответственных деталей ЛА из алюминиевых сплавов и обоснована ее эффективность для получения поковок точных по форме и размерам с расположением волокон максимально проработанного металла, соответствующим профилю чистовой детали, обеспечивающая получение деталей с минимальной массой.

Экспериментально установлено, что применение закрытой двухпереходной штамповки при получении крышки гидроцилиндра ЛА из сплава АМг 6 обеспечивает повышение коэффициента использования материала на 30 % по сравнению с облойной штамповкой и снижение максимального усилия деформирования на 19 % по сравнению с однопереходной закрытой штамповкой.

Сформулированы технологические рекомендации к процессу многопереходной закрытой штамповки особо ответственных деталей из алюминиевых сплавов, обеспечивающие получение поковок с заданными структурой и свойствами.

Разработана программа в виде прикладной библиотеки САПР "КОМПАС-График", осуществляющая передачу данных о форме и размерах поковок по переходам из расчетно-прочностного CAE-пакета в производственно-технологические CAD/CAM-комплексы, которая позволяет автоматизировать проектирование и изготовление штамповой оснастки для сокращения сроков подготовки мелкосерийного производства.

Ключевые слова: многопереходная закрытая штамповка, диаграмма пластичности, степень использования ресурса пластичности.

SUMMARY

Shypul O.V. The Technology of Multistage Closed Punching Aircraft's Details from Aluminum Alloys with Estimation of Plasticity's Resource. - Manuscript.

Ph. D. thesis in the field of technical sciences for the specialization 05.07.02 - designing, manufacture and testing aircrafts. - The National Aerospace University named after N.Y. Zhukovsky "Kharkov Aviation Institute", Kharkov, 2007.

The dissertation examines the peculiarities of designing of the multistage closed punching technology. It is used for manufacturing of particularly critical aircraft parts made of aluminum alloys with prescribed structure and properties. The thesis includes the research concerned with ultimate strain shaping on a basis of scientifically-grounded criteria of fractures and defects analysis, and is performed by mathematical modeling. The author has created the method of definition of the multistage punching process parameters; the method allows improving of designing and production of technological equipment which is oriented on application of modern production-technological program suites and decreasing of preproduction terms of small-lot production.

The thesis contains the results of theoretical and numerical researches which are based on the equations of continuum mechanics, theories of plastic flow and heat conductivity, and analysis of experimental and metallographic researches. Mathematical modeling is performed using the modern CAD/CAE-packages.

The results of the work have been offered for use to the ASTC "Antonov", to an enterprise "KHАІ-service" and have been used in the teaching process at the National Aerospace University "Kharkov Aviation Institute".

Keywords: multistage closed punching, diagram of plasticity, feet of the use of plasticity's resource.

Размещено на Allbest.ru

...