Розвиток наукових основ технології виготовлення методами обробки вибухом виробів з шаруватих композицій

а) програми ГКНТ СРСР

- 0.16.080 “Розробити і запровадити нові технологічні процеси металооброблення вибухом, створити й освоїти обладнання...”, постанова № 475 від 17.10.75 р.;

- 0.16.03 “Створити нові технологічні процеси, обладнання та дільниці для оброблення металів імпульсними навантаженнями...”, постанова № 472/248 від 12.12.80 р.;

б) програми Міносвіти і науки України “Розроблення технологічних процесів і обладнання для імпульсного штампування листових деталей складної конфігурації”, наказ № 231 від 28.11.91 р.;

в) за програмою Мінмашпрому, ВПК і конверсії “Імпульсні ресурсозберігаючі технології для підвищення характеристик виробів машинобудування і військово-промислового комплексу України”, наказ Мінмашпрому від 26.10.92 р.;

г) за програмою ГКНТ України “Розробка високоефективних технологій обробки тиском...” завдання 4.2.2.63;

д) Закону України про приоритетні напрямки науки і техніки в Україні, ст.. 7 п.6 Новітні технології в енергетиці, промисловості, агропромисловому комплексі, п.7 Нові матеріали і речовини;

е) господарським договорам, держбюджетним і внутрішньо вузівським науково-дослідницьким роботам, виконаним у НПО “Техтрансмаш” і Кременчуцькому державному політехнічному університеті (роботи № ДР 01870032393, 01880013310, 01900038073, 03929002063, 01890036232, 0193V027021, 01890036232, 01300038073, 0199V004071, 0103V004071 тощо). Автор брав участь у трьох з цих робіт, а в інших був відповідальним виконавцем чи керівником теми.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка нових науково обґрунтованих ресурсозберігаючих технологій виробництва шаруватих металевих виробів із попередньо зварених вибухом шаруватих заготовок із застосуванням гідровибухового штампування і пакету монолітних заготовок при використанні поєднання операцій зварювання та штампування вибухом.

Для досягнення поставленої мети в роботі були вирішені наступні задачі:

- розроблено теоретичні положення процесів листового штампування вибухом шаруватих металевих композицій, отриманих за допомогою зварювання вибухом та комбінованих методів вибухового оброблення заготовок зі змінними по товщині кожного шару пластичними властивостями;

- розроблені чисельні математичні моделі динаміки пружно-пластичного деформування шаруватих композицій, враховуючи граничну механічну неоднорідність зони поєднання шарів; вплив теплових ефектів, що відбуваються при поєднанні шарів на процес деформування; хвильовий характер навантаження;

- отримане аналітичне рішення для визначення напружено-деформованого стану при імпульсному пружно-пластичному стисненні та розтяганні бінарної системи з урахуванням розвитку акустичних імпедансів шарів, інерційних напружень у осередку деформації та дії хвиль розвантаження;

- проведена експериментальна перевірка адекватності отриманих математичних моделей і прийнятих гіпотез;

- науково обґрунтовані, розроблені й застосовані нові ефективні способи і засоби технологічного оснащення для виробництва біметалевих обичайок, багатошарових труб і днищів, шаруватих сферичних днищів з монолітними кромками з використанням процесів штампування, калібрування, зварювання і зміцнення вибухом і комбінованих методів оброблення, визначені діапазони технологічних параметрів для промислової реалізації процесів вибухового оброблення, що розглядаються;

- розроблені й застосовані науково обґрунтовані ресурсозберігаючі екологічно чисті технології дроблення утилізованих виробів із твердих сплавів, зміцнюючого оброблення деталей залізничного транспорту, вирублення тонколистих заготовок із використанням імпульсних джерел енергії та шаруватих передаючих середовищ.

Обєкт дослідження. Процеси листового штампування вибухом і вибухового плакування.

1. Уперше розроблені математичні моделі динамічної поведінки при формоутворенні шаруватої звареної вибухом заготовки і при поєднанні операцій зварювання та штампування вибухом, процесу імпульсного деформування шаруватої, звареної вибухом заготовки, пакету монолітних заготовок при використанні поєднання операцій зварювання та штампування вибухом і вибухового калібрування шаруватих заготовок, дозволяючі врахувати механічну неоднорідність зони поєднання шарів, теплові ефекти при суміщенні.

2. Уперше поставлена і чисельно-аналітично вирішена задача імпульсного деформування шаруватої заготовки при поєднанні операцій зварювання та штампування вибухом. Удосконалені методи визначення параметрів імпульсного та теплового впливу на шарувату заготовку при поєднанні технологічних операцій зварювання та штампування вибухом.

3. Отримали подальший розвиток і розроблені науково обґрунтовані методики для процесів імпульсного оброблення тиском для отримання та формозмінення шаруватих металевих композицій, створення, синтезу та обґрунтування комбінованих методів вибухового металооброблення.

4. Уперше розроблені методики проведення та постановки експериментальних досліджень процесів імпульсного деформування, визначені критерії штампуємості, кінематичні й силові параметри шаруватих металевих композицій у процесах листового штампування вибухом.

5. Удосконалена й розроблена теорія технологічних процесів виготовлення виробів у багатошаровому виконанні, що дозволило запропонувати технічні рішення, які лягли в основу створення дослідно-промислових і промислових технологічних процесів, елементів технологічного оснащення та обладнання для їх здійснення, які захищені 26 авторськими свідоцтвами і патентом України.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені нові технології виробництва виробів із шаруватих металевих композицій із використанням методів вибухового оброблення. Розроблена технологія та виготовлена партія біметалевих обичайок (нержавіюча сталь-мідь) для установок термоядерного синтезу.

На основі теоретико-експериментальних досліджень розроблені нові промислові технології поєднання процесів зварювання та штампування вибухом виробництва багатошарових днищ із високоміцної сталі з монолітними кромками для посудин високого тиску. Розроблені нові промислові технології відновлення методами вибухового оброблення коліс гусеничних транспортних засобів, відновлення та зміцнення опорних поверхонь корпусів букс, фрикційних планок, матриць для виробництва силікатної цегли.

Запропоновані нові способи формозмінення шаруватих заготовок, обладнання та елементи технологічного оснащення, способи нанесення тонкого металевого покриття для утворення бар'єрного шару на поверхні заготовок перед зварюванням вибухом. Вибухове руйнування з використанням шаруватого середовища, що передає для подрібнення утилізованих виробів із твердих сплавів та розділових операцій і обробки вибухом листових заготовок.

Результати теоретичних досліджень були використані під час розроблення методик розрахунку технологічних процесів деформування та отримання шаруватих металевих композицій, розробки пакету програм та алгоритмів розрахунку напружено-деформованого стану, кінематичних та енергетичних параметрів процесів імпульсного деформування біметалевих заготовок.

Основні результати роботи пройшли апробацію у виробничих умовах та впровадження на ряді підприємств України: ВАТ “Кременчуцький завод дорожніх машин”, м. Кременчук; Державний центр твердих сплавів “Світкермет”, м. Світловодськ; Київський авіаційний завод, м. Київ; ВАТ “Техтрансмаш”, м. Кременчук; АТ КВБЗ Кременчуцький вагонобудівний завод, м. Кременчук; ВАТ Кременчуцький сталеливарний завод, м. Кременчук; Міжнародний НДІ нових технологій та матеріалів, м. Харків.

Дана робота виконувалась відповідно до задач удосконалення технологічних процесів обробка металів тиском з використанням імпульсних і традиційних джерел енергії. Виготовлені унікальні вироби в шаруватому виконанні, що знайшли застосування на підприємствах енергетичного та транспортного машинобудування. Рекомендації щодо проектування й вдосконалення технологічного оснащення використані в науково-дослідних інститутах: ВНДІПТІвагонобудування, м. Кременчук, ХФТІ, м. Харків; МІНТ Харківський аерокосмічний університет “ХАІ”, СВІТ “Кермет”, м. Світловодськ.

Теоретичні положення та методики розрахунку використовуються в Кременчуцькому державному політехнічному університеті, в Інституті економіки і нових технологій УАЕЕП, у курсах “Нові й високоефективні технології в машинобудуванні”, “Оптимальний вибір матеріалів з використанням ЕОМ”.

Особистий внесок здобувача. Визначені мета та задачі досліджень; розроблені математичні моделі, алгоритми і програми розрахунку на ПЕОМ процесів імпульсного деформування заготовок із шаруватих металевих композицій; експериментальні й теоретичні дослідження в галузі отримання та формозмінення виробів із шаруватих композицій; методика визначення енергетичних, силових і кінематичних параметрів при отриманні й формозміненні шаруватих металевих заготовок; спеціальні технологічні прийоми і засоби технологічного оснащення, інтенсифікуючи процес імпульсного деформування і зварювання вибухом, які використовують конструктивний принцип “багатошаровості”; комбіновані методи обробки вибухом; технологічні процеси оброблення тиском шаруватих заготовок, отриманих зварюванням вибухом, процеси і технологічне оснащення вибухового плакування та пластичного зміцнення, в тому числі й накидання тонких металевих покриттів, плакування виробів складної конфігурації, процеси калібрування, зміцнення та отримання монолітної кромки шаруватих виробів. У дисертації не використані ідеї співробітників, які сприяли виконанню роботи. При проведені досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, автором дисертації розроблено основні теоретичні положення нових процесів штампування, зварювання та зміцнення вибухом. Автор брав безпосередню участь в організації і проведенні експериментів та упровадженні розробок у виробництво. Основні наукові результати отримані автором самостійно в ході досліджень, експериментально-промислових випробувань, а також при виконанні робіт, які здійснювалися під його безпосереднім науковим керівництвом. Усі теоретичні узагальнення виконані самостійно.

Автор висловлює вдячність науковому консультанту, д.т.н., професору, лауреату Державної премії України, заслуженому винахіднику України В.К.Борисевичу та д.т.н., професору О.А.Юрку за суттєву допомогу в роботі над дисертацією.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Всесоюзній науково-технічній конференції “Використання імпульсних джерел енергії в промисловості” (Харків, 1985 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні питання охорони навколишнього середовища від антрогенного впливу” (Кременчук, 1994 р.), Всеукраїнській конференції з нелінійних проблем математичної фізики (Кременчук, 2000 р.); Міжнародних конференціях “Проблеми створення нових машин і технологій (Кременчук, 1999 р.-2003 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Використання теорії пластичності в сучасних технологіях оброблення тиском (Вінниця, 2001 р.) , Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу”, (Дніпропетровськ, 2002 р.), Другій Всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (Дніпродзержинськ, 2002 р.), VI Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (Дніпропетровськ, 2002 р.), Х Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера XXI віку”. На першому українсько-німецькому семінарі з проблем провації в галузі нових матеріалів і оброблення матеріалів (м. Київ, НДІ ім.. Патона, 2001 р.).

Публікації. Список робіт із наукової роботи складає 69 найменувань. З них 35 статей, 26 авторських свідоцтв, 7 доповідей на науково-технічних конференціях, патент України.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків за розділами, загальних висновків, переліку використаної літератури і додатків. Обсяг роботи 295 сторінок. Робота містить 20 таблиць, 122 рисунки, список використаних літературних джерел із 183 найменувань і 2 додатки, що у сукупності займають 408 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і задачі роботи, викладено науково новизну, практичну значимість одержаних результатів.

У першому розділі подано аналітичний огляд сучасних методів розрахунку процесів пластичної обробки шаруватих металів. Окреслені основні етапи розвитку наукової думки щодо проблеми удосконалення технологій виробництва виробів із шаруватих металевих композицій та отримання шаруватих матеріалів. Можна виділити три основних етапи: інтуїтивний або емпіричний; теоретично-експериментальний; автоматичного проектування та моделювання процесів пластичного деформування багатошарових заготовок.

Сучасні методи розрахунку пластичного деформування шаруватих заготовок основані на розв'язанні наближених диференційних рівнянь рівноваги та умови пластичності. Як правило, автори беруть ряд припущень, що обмежують застосування моделей осередку деформації та методик розрахунку пошарових деформацій та параметрів процесу для матеріалів, що зміцнюються за лінійним законом в умовах стаціонарності процесу.

Значний внесок у розвиток теорії та удосконалення практики використання імпульсних методів обробки та вироблення біметалів внесли вчені: Р.В.Пихтовніков, В.Г.Кононенко, Ю.Н.Алексеев, Ю.С.Навагін, В.К.Борисевич, М.О.Анучін, М.Є.Тараненко, В.Н.Чачін, В.С.Сєдих, О.О.Дерібас, В.М.Кудінов, М.О.Лаврентьєв, Г.А.Аркуліс, П.І.Полухін та ін.

Для вирішення основної задачі створення шаруватих металевих композицій, що заключаються в забезпеченні міцного з'єднання складових по всій площі контакту, розглядаються відомі способи отримання шаруватих металів та їх класифікація. При цьому більш детально розглядаються нові процеси отримання шаруватих композицій. Наведена класифікація багатоповерхових посудин, двох - та багатошарових матеріалів для виготовлення днища у багатошаровому виконанні, класифікація багатошарового днища, варіанти виконання шарових ємностей, класифікація багатошарових матеріалів. Розглянуто схеми виготовлення композиційних матеріалів, що володіє надзвичайною тріщиностійкістю.

Під час розробок технологічних процесів оброблення шаруватих композицій (зварювання, різання, витягання, калібрування, термічне оброблення та ін.) і навіть шаруватих композицій, що складаються із однорідних матеріалів, застосовують необхідні заходи, що виключають розшаровування та пошкодження плакувальних шарів, неоднорідність міжшарових деформацій та взаємодії шарів під час деформації, наявність зон із внутрішнім напруженням, відмінність у коефіцієнтах розширювання складових.

Описані способи виготовлення елементів судин високого тиску з шаруватого та квазішаруватого матеріалу з використанням імпульсивних навантажень. Серед цих процесів на особливу увагу заслуговують процеси, пов'язані з поєднанням операцій зварювання та штампування вибухом для отримання виробів із квазішаруватих матеріалів.

Встановлено, що головні труднощі технології виробництва багатошарових виробів пов'язані з усуванням зазорів у багатошаровій стінці та забезпечення високої точності прилягання шарів. Калібрування та ущільнювання багатошарової стінки з використанням енергії бризантної вибухової речовини призвані розв'язати ці проблеми. Процес цей виконується наступним способом: штампування з притискуванням фланця пакету заготовок, під час активізації пересування внутрішніх та гальмування зовнішніх фланцевих частин; з попереднім обмонолітнюванням фланцевих частин заготовок перед витягуванням; формування з наступним калібруванням. Під час калібрування попередньо відформованого пакету доцільно зробити формування кожного шару за профілем, що забезпечить під час калібрування ударною хвилею, що біжить, постійність динамічного кута повороту.

Сформульовані специфічні вимоги до технологічного оснащення, що застосовується при імпульсному обробленні шарових заготовок.

Це пов'язано з тим, що до складу шарових металевих композицій входять матеріали, схильні до деформаційного зміцнення. Закон зміцнення товщини складових композицій не однаковий. Існуючі методики розрахунку процесів пружно-пластичного деформування шарових заготовок не враховують вплив швидкості та ступеня деформації на опір деформування. Дослідження деформованого стану обмежено найпростішими схемами стаціонарних процесів деформування. Теорія технологічних процесів змінювання форм не дає можливості прогнозувати характер протікання процесу та виявлення факторів, що підвищують деформування шарових заготовок та перешкоджають їх розшаруванню, особливо на початкових стадіях деформування. Саме ця технологія формування є трудомісткою, пов'язана з використанням унікального обладнання та транспортними витратами.

Наведено обґрунтування необхідності використання вибухового оброблення під час виробництва шарових та дисперсних композицій, яка випливає із переваг процесів зварювання та штампування вибухом порівняно з традиційними технологіями, а також у цих технологіях найбільш просто організувати процес формоутворення та забезпечення міцного зєднання з мінімальними витратами на обладнання та технологічне оснащення.

Розглянуто основні сфери та динаміка застосування, а також основні споживачі шаруватих металевих композицій.

У цілому, теорія та практика процесів виготовлення шаруватих металевих композицій, моделювання спільної пластичної деформації під час формоутворення, коректування та формування властивостей багатошарових виробів під час обробки вимагає подальшого удосконалення та розвитку.

У другому розділі обґрунтовано вибір напрямів дослідження, подано детальний аналіз явищ, що супроводжують процеси вибухового оброблення, наведені методи вирішення задач та методика проведення експериментальних досліджень, описана багатофакторність явищ, що супроводжують процеси вибухового оброблювання.

За різними схемами імпульсного впливу має бути досягнуто задане формоутворення, зміцнення, зєднання, компактування, дрібнення та порушення суцільності. Високі енергетичні параметри та імпульсивний характер вибухового навантаження у своєму елементарному застосуванні є надзвичайно багатогранним та різноманітним, тому не всі його аспекти відкриті, вивчені та апробовані. Процеси вибухового штампування, зварювання вибухом та вибухового пресування призводять до зміцнення, деформації, зварювання, нагрівання та фазових перетворень.

Одним із основних аспектів застосування вибухового оброблення мають стати процеси швидкої кристалізації. Швидкість падіння температури за умови співударяння продуктів вибуху тіла з поверхнею іншого матеріалу при швидкості співударяння порядку 1000 мс^-1 в інтервалі температур 700-350^оС складає до 3,510⁶ градс^-1. За таких градієнтів температур відбувається отримання псевдоаморфних структур. Для утворення шару із аморфного матеріалу або шару, що володіє великою кількістю аморфних складових, режими співударяння мають забезпечити розігрівання приконтактних шарів та високу температуру охолодження. Такі параметри характерні для режимів, що відповідають параметрам на стику процесів зварювання та зміцнення вибухом. Цей аспект знаходить своє застосування під час створення нового шаруватого матеріалу з надміцним шаром. Розглянуто шляхи реалізації у процесі зварювання вибухом нанесення тонкого металевого покриття. Товщина отриманого покриття тонша, ніж отримана під час зварювання вибухом. На режимах при параметрах зварювання найменшого та найбільшого зєднання матеріалів, що зварюються, не відбувається, проте на поверхнях, що співударяються, утворюється тонкий металевий шар. При параметрі зварювання вибухом менше ніж мінімальний основний механізм утворення покриття повязаний із фрикційною взаємодією поверхонь, що співударяються. При параметрі зварювання вибухом r (див. далі), що перевищує максимальний, спостерігається множинний відкол від поверхні, що ударяється. У результаті цього відбувається співударяння та зварювання частинок металу, що відкололися з поверхні підложки, потім додаткове зачеканювання відколених частинок із поверхні ударом плакуючої пластини. Розроблені схеми процесів та установка для фрикційного нанесення покриття з поєднанням операцій динамічного загартування.

Однією із сфер застосування вибухового оброблення має бути модифікуючий вплив ударної хвилі та швидкісної деформації на матеріал, який надалі піддається хіміко-термічному та іншому обробленню. Після вибухового навантаження більшість металів переходять в активний стан, процеси хіміко-термічного оброблення та нанесення захисного покриття (цементація, борування, алітування, азотування і т.д.) відбуваються значно швидше за тих самих показників якості.

Одним із інтенсифікуючих факторів процесів вибухового оброблення є ефект відколу. Найбільш ефективне застосування цього явища під час оброблення та виготовлення виробів у шаруватому виконанні.

Окрім цілого ряду переваг, що повязані з підвищенням міцності, експлуатаційною надійністю та безпекою, шаруваті конструкції є більш простими у виготовленні та відкривають нові аспекти у підвищенні продуктивності та зручності у виконанні допоміжних технологічних операцій. Розроблено ряд елементів технологічного оснащення для використання в операціях зварювання та штампування.

У розроблених елементах технологічного оснащення розвязуються проблеми одночасного забезпечення необхідної жорсткості та податливості.

Застосування принципу шаруватості вирішує цілий комплекс технічних проблем у процесі пакетного штампування. Заощаджуються матеріали, скорочується цикл виготовлення деталі. В цілому, застосування принципу шаруватості при конструюванні технологічного оснащення вирішуються також технічні задачі: розширення технологічних можливостей шляхом збільшення номенклатури виробів, що обробляються; збільшення ступеня універсальності; підвищення зручності в експлуатації, простота складання та розбирання, ремонтопридатність; спрощення процесу виготовлення, доведення та випробування; підвищення продуктивності допоміжних операцій; покращення якості деталей, що обробляються; підвищення міцності, стійкості технологічного оснащення та безпеки.

Окрім традиційно широко застосованого принципу шаруватості під час конструювання введено поняття технологічного ефекту шаруватості. Під останнім розуміють, з однієї стороні, що заготовку, вироблену з низькими технологічними властивостями (низьке штампування) піддають деформуванню, використовуючи високо пластичні матеріали для попередження руйнування заготовки. З іншої сторони, шаруватість використовується для інтенсифікації процесу деформування шляхом управління параметрами зовнішнього навантаження та створення додаткових деформуючих зусиль.

Одним із напрямів пошуку розроблення та створення нових методів оброблення є створення комбінованих процесів, у яких плакування, формозмінення, нанесення матеріалу, що обробляється, відбувається в результаті одночасної взаємодії двох або більше впливів, які здійснюються за своїм механізмом. До комбінованих методів оброблення належать види оброблення, що розділяються за часом та в просторі. Обовязковою умовою в цьому випадку й на спеціальному обладнанні або на технологічному оснащенні, що жорстко звязує ці процеси. Головною особливістю комбінованих методів є їх суттєва відмінність за ефективністю застосування порівняно з методами, що складають дане поєднання.

Більше можливостей для розроблення комбінованих методів оброблення відкриває процес штампування вибухом. У процесі витягування з притисканням фланця заготовки на одному й тому ж оснащенні здійснюється витягання, притискання фланця та його обрізання. Широко використовується поєднання формоутворюючих операцій із розподільними: пробивання отворів та заготовлення фасок. Поєднання операцій зміцнення вибухом із термічним обробленням привело до створення нового процесу вибухотермічного оброблення.

Предметом справжнього пошуку є розроблення процесів, що поєднують зварювання та штампування вибухом. Енергія вибухової речовини, яка необхідна для утворення біметалів, витрачається занадто неекономічно, значно ефективніше використовувати її для формоутворення. Параметри процесів зварювання та штамповки вибухом свідчать про можливість поєднання цих операцій. Схема процесу, що поєднує зварювання та штампування вибухом, зображена на рис. 1

Рис. 1 Схема процесу, що поєднує зварювання та штампування вибухом: 1 - електродетонатор; 2 - вибухова речовина; 3 - заготовка, що кидають; 4 - нерухома заготовка; 5 - гальмуюче середовище

Одним із напрямів досліджень у галузі пластичного деформування є пошук можливостей зниження роботи деформування. Узгодження зовнішнього навантаження з власною частотою елементарних зсувів у матеріалі, що пластично деформується, призводить до зниження деформуючих зусиль. Реалізація цього ефекту відбувається при витяганні в обкладках із високою акустичною жорсткістю і при впорядкуванні процесу деформування.

Окрім процесів вибухового оброблення, проведена оцінка можливостей використання методів високотемпературного синтезу (СВС), що саморозповсюджується в операціях оброблення металів тиском, у тому числі в операціях вибухового формозмінення і СВС-покриттів.

Для теоретичного аналізу процесів вибухового формозмінення листових шаруватих заготовок найбільш прийнятними є чисельні методи. Серед яких найбільш прийнятним для розглянутих задач динаміки пружно-пластичного деформування шарових заготовок виявився метод скінчених різниць. Для якісного аналізу пластичної деформації шаруватого тіла (бінарної системи) розглянуто його одиничне пластичне зєднання. Розвязок цієї задачі отримано із наближених рівнянь рівноваги та рівняння пластичності. Для визначення термічного напруження в шаровій заготовці при поєднанні операцій зварювання та штампування вибухом використано метод редукції та метод скінчених різниць.

Для перевірки адекватності теоретичних припущень та прийнятних моделей розрахунку проводились експерименти за допомогою швидкісного фоторегістратора на просвіт у щілині матриці, отримано залежності переміщення трьох точок вісесиметричної шарової заготовки від часу при вибуховому витягуванню.

Для дослідження деформованого стану за товщиною заготовок використовується метод “вставок”, а для напруженого стану - метод визначення напружень по розподілу твердості. Для перевірки прийнятих гіпотез та вибору найбільш раціональних технологій формозмінення проводився комплекс якісних експериментів у лабораторних та виробничих умовах. Відпрацювання отриманих під час роботи експериментальних даних, а також оцінку достовірності результатів теоретичних рішень здійснювали на основі методів математичної статистики.

Третій розділ присвячено науковим і теоретичним основам технології виготовлення методами оброблення вибухом виробів із шаруватих композицій і моделюванню динаміки пружно-пластичного деформування біметалевої заготовки.

Динаміка деформування шаруватої заготовки із пластичними властивостями (жорсткими та мякими), що сильно розрізняються, описується з використанням варіаційного принципу Гамільтона-Остроградського. Для жорстких шарів приймається гіпотеза Кіргофа-Лява, а для мяких шарів достатньо врахувати лише трансверсальні деформації та деформації перетинного зсуву. При використанні заготовок із близькими механічними властивостями необхідно враховувати нормальні деформації та перетинного зсуву. Рівняння динаміки багатошарової оболонки доповнюються співвідношеннями на межі суміщення шарів. Вважають, що всі шари багатошарової оболонки деформуються без ковзання та відриву, а також компоненти напружень на площадках, дотичних до поверхні контакту, не мають розривів.

При розвязанні задач пластичного деформування існують розриви щільності (формоутворення шаруватих заготовок із різнорідних матеріалів, швидкості (пакетне штампування) і напружень. Наведені кінематичні й динамічні умови на поверхні доторкання шарів. Останні отримані з теореми про змінення кількості руху. Розглянуті енергетичні умови для:

а) деформування пакету однорідних заготовок, коли щільність і швидкість не мають розривів;

б) деформування шаруватої заготовки, коли має місце розрив складової вектора швидкості під час безперервності напружень і щільності.

При розрахунку процесів пластичного деформування в інженерній практиці доцільно використовувати фундаментальні реологічні моделі та їх комбінації. А аналіз механічних властивостей біметалів із різних матеріалів дає можливість визначити найбільш характерні типи шаруватих композицій. Ступінь механічної неоднорідності характеризується співвідношенням міцності параметрів шарів і ступеня їх зміцнення при деформації.

Дано спільний підхід до визначення і встановлення основних параметрів, характеризуючих процеси вибухового оброблення. За аналогією з процесами вибухового плакування параметри діляться на кінематичні, фізичні й технологічні. Близьке до оптимального значення цих параметрів дає можливість отримання шаруватих виробів високої якості при високій міцності поєднання шарів.

Розглянуто схеми, реалізуючі поєднання операцій зварювання і штампування вибухом. Ідея поєднання цих операцій висловлена автором у 1976 р., зареєстрована як винахід у 1978 р. Важливими технологічними параметрами в цьому процесі є фізико-механічні й геометричні параметри матриці.

Процес поєднання операцій зварювання і штампування вибухом розглядається як двостадійний:

1) набуття початкової швидкості при проходженні ударної хвилі по заготовці, й її вихід на вільну поверхню;

2) подальше прискорення заготовки під дією тиску продуктів детонації вибухової речовини.

Заготовку розбиваємо на елементи з масою, що зосереджена в одній точці приведення. Точки приведення зєднані між собою пружнопластичними звязками.

У процесах поєднання операцій штампування та зварювання вибухом, а також операціях ущільнення багатошарової стінки число шарів доходить до десяти. Тому розглянуто процес штампування n-заготовок у загальному вигляді. Визначені початкові прискорення елементів заготовок, швидкості співудару які в подальшому використовуються при розвязанні задач динамічної поведінки багатошарового пакету заготовок при імпульсному деформуванні.

У процесах ущільнення багатошарової стінки сферичних і циліндричних елементів судин високого тиску використовуються джерела хвилі тиску, що біжить. Найбільш доцільно, як з точки зору зручності в експлуатації, так і за ефектами, що досягаються, організовувати хвилю тиску, що біжить, при використанні лінійних, циліндричних або плоских зарядів кінцевих розмірів. Тому в роботі наведені експериментальні залежності для визначення параметрів зовнішнього навантаження цих зарядів вибухової речовини.

Відмінність механічних властивостей шарів визначає неоднорідність напружено деформованого стану шаруватої композиції при навантаженні зовнішнім навантаженням. Для оцінки можливостей біметалів, особливо зварених вибухом, до пластичної обробки повинні виконуватись умови спільної деформації складаючих композицій і умови квазі-спільного деформування в зоні поєднання.

Можливість залучення в пластичне деформування більш міцних зон поєднання характеризується виразом:

При теоретичному аналізі й моделюванні процесу пружнопластичного деформування зварених вибухом заготовок, а також при поєднанні операцій зварювання та штампування заготовок, а також при поєднанні операцій зварювання та штампування вибухом, визначальними факторами є:

а) детонація заряду вибухової речовини, розташованого на пластині, що штовхається, в результаті якої відбувається зварювання компоненту біметалу та подальше формозмінення шаруватої заготовки;

б) виділення тепла в зоні співудару заготовок, що зварюються вибухом, підвищує пластичні властивості та штампованість біметалу, якщо процес формоутворення відбувається з достатньо малим спізненням після зварювання;

в) заміна високих напружень стискання в сфері співудару, розтягуючими напруженнями, стимулюють процес деформування і виникаючі при цьому резонансні явища;

г) зміцнення приконтактних шарів при співударі заготовок, що зварюються вибухом, приводять до змінення динамічних меж плинності по товщині компонент біметалу;

д) безпосереднє деформування біметалевої шаруватої заготовки.

Ймовірно, що найбільш доцільно динаміку багатошарової оболонки при імпульсному деформуванні описувати скінченнорізносною параметричною моделлю. Математичні моделі та розрахунки, засновані на методах кінцевих і граничних елементів, достатньо точно описують зростання міжшарових напружень. Однак ці елементи не узгоджуються з моделлю однорідних шарів, оскільки розрив у величинах пружних постійних і напружень тинності призводить до необмеженого зростання нормальних напружень у точках перетину бокової межі з міжшаровою поверхнею.

У прийнятій моделі деформування біметалеву заготовку вкриваємо лагранжевою сіткою, х₁х₂ зв'язаною серединною поверхнею.

Використовуємо “вузлову схему”. Вузлова точка розрахункової сітки кожного фізичного елемента є точкою приведення відповідної маси, в якій визначаються всі шукані величини. Масові точки зєднуються невагомими розтяжними прямими ланками.

Кожний шар біметалевої заготовки розбиваємо на підшари. Чотири в кожному шарі. Ці підшари розташовані на однаковій відстані один від одного, працюють при плоскому напруженому стані й розділені матеріалом, якій не може працювати в аналогічних умовах. У даній моделі гіпотези, в яких міститься твердження про збереження геометрії нормального елемента, застосовані для тонколистових заготовок, а для товстолистових замінені припущенням, враховуючим деформацію поперечного зсуву. Матеріали шарів біметалевої заготовки вважаємо ізотропними з пружно-пластичним зміцненням, величина котрого залежить від координати по осі симетрії заготовки.

При визначенні прискорень вузлів серединної поверхні шарувату заготовку розглядаємо як монолітну. Вузол із масою, що дорівнює сумарній масі компонентів, розташовується в центрі ваги біметалевої заготовки.

Прискорення вузлів сітки серединної поверхні, швидкості й переміщення визначаємо з рівнянь рівноваги для кожного mn-го вузла заготовки.

Напруження та їх приріст визначаються за приростом деформацій у кожному вузлі, підшарах і шарах біметалевої заготовки, тобто заготовка розглядається як шарувата. Тензор приросту деформацій на кожному кроці інтегрування розкладається на пружний, пластичний і термічний компоненти.

Для визначення тензора пружних напружень використовуємо узагальнений закон Гука, при цьому модуль пружності не залежить від швидкості деформації. Умову плинності використовуємо в формі Мізеса-Генки. При плоскому напруженому стані останній має вигляд

(5)

де - головні напруження;

- визначається на кожному кроці з урахуванням кінематичного та деформаційного зміцнення та термічного знеміцнення. Прирости пластичних компонент визначаються з теорії пластичного потенціалу.

При поєднанні операцій зварювання і штампування вибухом враховуємо термічне знеміцнення.

При моделюванні процесу імпульсного деформування біметалевої заготовки, отриманої методом зварювання вибухом враховується залежність динамічної межі плинності по товщині кожного шару біметалу. кожний підшар має своє значення, максимальне для прилеглих до зони поєднання шарів. Фізичний закон, який замикає систему рівнянь (4), для кожного компонента біметалу вважається відомою функцією.

На межі шарів виконується умова нерозривності деформацій.

Розвязання системи рівнянь проводиться методом прямої прогонки.

Розглянуто моделювання процесів імпульсного деформування пористих композицій, отриманих методом високотемпературного синтезу (СВС), що само розповсюджується. При цьому виникає необхідність враховувати локалізацію пластичних деформацій у колі неоднорідностей та порожнин. При динамічному навантаженні виникають області з великими градієнтами швидкості деформацій і високими температурами. Зхлопування пор надає суттєвий вплив на особливості поведінки матеріалу при деформуванні.

СВС-продукти, напевне, можна розглядати як матеріал з двошаровою структурою пористості. Зовнішній шар - це відкриті пори, центральна сфера - закриті. Закриті пори при сітковому моделюванні процесу деформування моделюються порожнистими (пустотілими) вузлами, поєднаними пружно-вязкопластичними звязками. Враховуючи, що закрита пористість розташовується у внутрішніх шарах заготовки, що деформується, з достатнім ступенем точності, процес зхлопування сферичної пори розглядається таким, що відбувається під дією постійного зовнішнього тиску. При моделюванні динамічної поведінки пористого матеріалу процес деформування розглядається в рамках феноменологічного підходу. Матеріал продуктів синтезу вважається обємно-стиснутим, ізотропним, володіючим швидкісним і деформаційним зміцненням, без врахування пружних деформацій з можливістю термічного знеміцнення. Динамічні рівняння рівноваги продуктів синтезу приймаються у вигляді (4).

У загальну систему рівнянь динаміки некомпактного матеріалу входять рівняння нерозривності та умова пластичності еліпсоїдного типу. Розвязання системи проводиться методом кінцевих різниць.

Модель формування армованих листових заготовок залежить від обємної частки волокон. Розвязання задачі у рамках прийнятої моделі має ту особливість, що при деформуванні армованої заготовки на кожному кроці по часу проводиться порівняння розрахункових деформацій з гранично допустимими. Армована заготовка (при обємній масовій частці армуючих волокон до 10%), деформуються так само, як і монолітна заготовка до момента руйнування. Критерієм руйнування армованої заготовки вважається досягнення граничних деформацій в армуючих елементах. На ряд точок приведення відповідної маси в скінченно-рівницевій параметричній моделі накладаються додаткові маси. Гранична деформація, композита в поперечному напрямі до арміруючих волокон, визначається граничною міцністю зчеплення останніх з матрицею композита.

Зона штампованості визначається функцією виду

(6)

де , - граничні деформації в повздовжньому та поперечному напрямі до армуючих волокон для i-го вузла, в j-ий момент часу; , , , - сталі. При , поточна величина деформація перевищує значення граничних, і необхідно або змінювати схему деформації заготовки, або використовувати технологічні прийоми, активізуючи деформуємість зон, що містять армуючі волокна.

Для якісного описання процесу поведінки шаруватих матеріалів розглянуто найбільш елементарні процеси деформування, поперечне стискання і повздовжнє розтягнення. Одна з найбільш характерних особливостей спільного пластичного деформування шаруватих середовищ - це витіснення найбільш пластичного компонента, що призводить до того, що деформація відбувається зі зменшенням обєму металу, що активно деформуються; це переводить лінійну схему напруженого стану в обємну, збільшуючи деформованість металу.

Проведено аналіз елементарних процесів деформування шаруватих матеріалів і визначені пошарові деформації мякої та твердої складових при різних законах зміцнення компоненту при імпульсному навантаженні.

Імпульсне навантаження шаруватих заготовок вносить суттєві зміни у характер деформування шаруватої заготовки. Розподілення імпульсу навантаження залежить від дисипативних властивостей шаруватої заготовки, а також системи гетерогенних середовищ (передавальна, екрани, приєднані маси, пористі прокладки, відкольні елементи, кумулюючі системи тощо), розташованих між заготовкою та джерелом навантаження. Варіюючи гетерогенну структуру заготовки і засобів технологічного оснащення, можна виявити структуру з дисипативними властивостями, відповідаючими максимуму енергії, “закачаної” в систему в результаті імпульсного навантаження. Це, в свою чергу, призводить до реалізації максимальної деформованості формозмінюючої заготовки.

При імпульсному навантаженні спільна деформація наступає в усіх шарах практично одночасно, незалежно від пошарових деформацій і показників зміцнення.

У четвертому розділі подані експериментальні дослідження в галузі отримання та виготовлення виробів у багатошаровому виконанні.

Експериментальні дослідження, приведені в даній роботі, в основному спрямовані на вивчення поведінки шаруватих матеріалів у процесах пластичного формоутворення та виявлення найбільш ефективних методів їх виготовлення та оброблення.

Проведено оцінку можливості та апробація процесів зварювання вибухом і облицювання криволінійних поверхонь. Установлена можливість зварювання вибухом напівсферичних заготовок малого діаметра ( 160 мм) із використанням еквідистантної схеми. Заряд вибухової речовини постійної товщини укладався по внутрішній поверхні заготовки, що кидають. Косий співудар і зварюваність забезпечуються, коли відношення діаметра заготовки до її товщини . При необхідне спеціальне профілювання плакуючої заготовки, при якому забезпечується в будь-якій точці співудару постійний кут між дотичними до плакуючої поверхні, і тієї, що плакується. Оскільки забезпечення потрібної геометрії заготовок повязане з витратами на виготовлення додаткового технологічного оснащення, а безматричні методи вибухового штампування не забезпечують достатньо високої точності, оцінювалась можливість вибухового плакування при відхиленні профілю заготовок, що кидають, від необхідного (). Визначені максимальні значення (). За аналогією проводились експерименти з плакування опуклих поверхонь для визначення максимальних зазорів між нерухомою заготовкою, що кидають.

Установлені можливості плакування неплоских поверхонь. Зварювання можливе при забезпеченні косого співудару оболонок при динамічних кутах повороту , що не перевищує припустимих кутів вигину при гнутті з розтягуванням. Проведено апробування ряду процесів листового штампування вибухом і наведені бажані схеми формоутворення.

Проведено експериментальний вибір найбільш раціональної схеми розташування пластин при зварюванні вибухом, у подальшому вони підлягають штампувальним операціям. Деформація заготовок після вибухового плакування здійснювалась штифтовим методом. Найбільш превалюючою є схема з боковим нависанням з відкольними елементами на нерухомій пластині (приставне фальшнависання). Ініціювання вибухової речовини необхідно проводити з центральної точки.

Для дослідження міжшарової міцності шаруватих заготовок, що підпали під пластичне деформування, проводились експерименти з формоутворення різними методами листового штампування.

Досліджувались процеси витяжки з притиском без стоншення стінки з біметалевої круглої заготовки, без притискного штампування (“згортання”), реверсного штампування, поєднання операцій штампування і зварювання вибухом з подальшим калібруванням, зварювання вибухом попередньо відштампованих заготовок. Оцінювались локальні властивості міжшарової зони впродовж шва з навантаженням різнорідного переходу зрізаючим і розтягуючим зусиллям відносно плоскості поєднання. У результаті експериментів установлено, що найбільш переважними є процеси реверсивного штампування та попереднього штампування шарів з подальшим зварюванням вибухом у матриці. При реверсивному штампуванні деформація більш пластичного матеріалу стримується силами контактного тертя і стає на перешкоді росту залишкових напружень до периферії біметалевого днища. У процесах поєднання операцій штампування і зварювання вибухом відсутнє з`єднання в центральній зоні. Однак для ряду конструкцій відсутність зварювання в цій зоні необхідна і це забезпечує більш високу надійність і працездатність при експлуатації. Для забезпечення надійного зчеплення шарів по периферії й на торцях необхідне їх нарощування перед зварюванням вибухом.