Механика импульсного воздействия и ее приложение к обработке давлением деталей из алюминиевых сплавов

-2-
СОДЕРЖАНИЕ
Условные обозначения......................................... 6
ВВЕДЕНИЕ........................................................ Ю
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ИМПУЛЬСНЫМИ МЕТОДАМИ.................... 22
1.1. Технологические дефекты штампуемых изделий из алюминиевых сплавов........................................................ 37
1.2. Механизмы изменения качества деталей при обработке давлением 47
1.3. Применение методов импульсной обработки давлением для повышения качества изделий..................................... 51
1.4. Возможности магнитно-импульсной обработки................. 56
1.5. Моделирование процессов импульсной обработки.............. 60
1.6 Магнитно-импульсные установки и индукторы.................. 69
1.7. Анализ технологических особенностей магнитно-импульсной обработки...................................................... 74
1.8. Залечивание дефектов сплошности в алюминиевых сплавах и изменение эксплуатационных свойств штампуемых изделий.......... 80
1.9. Выводы по главе, цель и задачи диссертации................ 84
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ ПРИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ДЕТАЛЕЙ ................. 88
2.1. Математическая модель для исследования влияния импульсной обработки на материалы и ее численная реализация............... 90
2.2. Тестовые расчеты прохождения упругих волн в сплошных телах переменного сечения, системах тел и телах с множеством пор.... 104
2.3. Изменение дефектов сплошности материалов при ударном воздействии................................................... 115
-3-
2.4. Использование коэффициента пористости как характеристики
материала......................................................... 129
2.5 Ударный контакт штампуемой листовой детали с формообразующей оснасткой......................................................... 133
2.6. Разглаживание гофров листовой детали при ударе об оснастку 142
2.7. Выводы по главе.............................................. 149
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВЯ НА ДЕФЕКТЫ СПЛОШНОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ............................... 152
3.1. Математическая постановка и численная реализация........... 154
3.2. Механическое воздействие ИМП на дефекты сплошности материалов........................................................ 164
3.3. Уменьшение объема дефектов сплошности в зависимости от амплитуды нагрузки ИМП............................................ 167
3.4. Возможные диапазоны параметров МИО в зависимости от плотности импульсных токов...................................... 170
3.5. Выбор материала индукторов................................. 175
3.6. Уменьшение несплошностей при компактировании элементов в соединении "наконечник-электрожгут" при обжиме ИМП................ 176
3.7. Выводы по главе............................................ 188
Глава 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ........................................... 190
4.1. Импульс давления в зоне поры............................... 192
4.2. Влияние формы и времени действия импульсного нагружения на динамику смыкания пор............................................. 197
4.3. Влияние динамического предела текучести материала на динамику смыкания пор...................................................... 202
-4-
4.4. Определение эффективных параметров амплитуды нагрузки при импульсной обработке при импульсной обработке материалов с дефектами сплошности......................................... 205
4.5. Определение эффективных параметров обработки материалов с дефектами сплошности давлением ИМИ в зависимости от времени действия нагрузки............................................ 210
4.6. Оптимизация параметров магнитно-импульсного деформирования
для получения листовых деталей с заданной точностью............... 214
4.7. Инженерная методика определения наиболее эффективных режимов магнитно-импульсного формообразования листовых деталей............ 220
4.8. Выводы по главе.............................................. 226
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ И ДЕТАЛИ ИЗ НИХ................................................ 228
5.1. Изменение структуры алюминиевых сплавов при магнитноимпульсной обработке давлением.................................... 230
5.2. Исследование ударного воздействия на несплошность в материале 237
5.3. Изменение пористости алюминиевых сплавов после магнитноимпульсной обработки давлением.................................... 241
5.4. Экспериментальные данные по влиянию магнитно-импульсной обработки на служебные свойства алюминиевых сплавов............... 251
5.5. Исследование формообразования листовых деталей давлением ИМГ1 254
5.6. Экспериментальное исследование разглаживания гофров при ударе 261
5.7. Экспериментальное определение точностных характеристик листовых деталей с отбортовкой по контуру при магнитно-импульсной штамповке.................................................... 266
5.8. Определение динамического условного предела текучести алюминиевых сплавов при магнитно-импульсной обработке............. 275
5.9. Выводы по главе.............................................. 280
-5-
Глава 6. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................. 282
6.1. Технологические рекомендации по обработке деталей давлением ИМП.......................................................... 282
6.2. Особенности конструкций индукторов для магнитно-импульсной обработки тонколистовых деталей.............................. 287
6.3. Технологическая оснастка и приспособления для магнитноимпульсной обработки тонколистовых деталей................... 290
6.4. Повышение технико-экономических показателей при внедрении процессов обработки листовых деталей давлением ИМП........... 296
6.5. Внедрение в производство обжима наконечников электрожгутов давлением ИМП................................................ 299
6.6. Внедрение магнитно-импульсной обработки деталей трубопроводов 304
6.7. Выводы по главе......................................... 309
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................. 311
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................ 315
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................... 339
-6-
Условные обозначения и сокращения
44крАЛЛ - относительная и критическая высота гофра, ширина, длина и высота гофра, соответственно;
В(0>Вт - магнитная индукция, амплитуда индукции;
Ср- скорость распространения упругой волны в материале; су- теплоемкость материала;
С - емкость конденсаторной батареи МИУ;
Ааг^б’^о " Диаметры заготовки и борта но контуру, диаметр оправки;
О! £)/ - производная Яумана вдоль траектории материальной частицы;
Е - модуль упругости материала; евт - удельная внутренняя энергия;
Еэ - напряженность электрического поля;
ЕТРг,Е1Р2 - составляющие силы трения на оси гиг; fl - плотность сил на единицу объема (/ = х,г,г);
- собственная частота МИУ;
- эмпирические константы материалов;
Нт, Яо,, - напряженность импульсного магнитного поля (ИМП);
Н]т, Н2т - напряженность ИМП над заготовкой и за ней;
//Б,/?с- исходная ширина борта и высота борта после формообразования;
- импульс давления ИМП;
/,, - импульс давления в зоне поры;
/3, /, У , у - ток, наведенный в заготовке, разрядный ток, амплитуда тока(А),плотность тока (А/м2);
^оть'^оте1 " коэффициенты отбортовки вогнутого и выпуклого бортов;
Ь, Ьц.з, - индуктивное сопротивление, индуктивность эквивалентная, индуктивность индуктора и заготовки;
/р - длина рабочей части индуктора заготовки;
- индуктивности цепи разряда суммарная, индуктора, МИУ,
заготовки, соответственно;
/, т - длина расчетной области, масса;
Л/0,Му; - моменты, тангенциальные усилия, поперечные
усилия, возникающие в элементе оболочки;
Л/и-з - взаимная индуктивность индуктора и заготовки;
яи ; ^и, *$и - число витков, ширина шины, рабочая площадь индуктора;
яг - число гофров;
Р - амплитуда давления ИМП; р - давление ; р\\ - давление в зоне поры;
у* - степень смыкания дефекта сплошности;
ДвнЛЛ-активное сопротивление МИУ, индуктора, заготовки;
Д3П0Г,ДБ0Г, гг~ ~ радиусы заготовки и борта при отбортовке,
радиусы заготовки и борта при гибке-формовке, радиус сопряжения стенки и борта (гиба); г, 1 - текущие координаты заготовки; криволинейные координаты;
5у,с ;Е “ компоненты девиатора напряжений, тензоров напряжений и
скоростей деформации;
/, Г|, Г0 и т - время, время периода разрядного тока, время полупериода разрядного тока (действия импульса давления ИМП);
Гм, Та -температура, °С;
Гк - момент времени контакта борта с оснасткой (тела с преградой);
/* - время пластического деформирования дефекта сплошности;
1/0,ир,и}{; амплитуда напряжения, рабочее напряжение зарядки МИУ и его
номинальное значение;
и; V, XV - перемещение, проекции скорости на оси г иг;
V ’ у/о~ скорость удара борта об оснастку (тела о преграду);
№з, 1Ур, IV,, - энергия электрического тока в заготовке, энергия выходящая на индуктор, номинальное значение энергии МИУ, соответственно; а, а о, схк ~ коэффициент пористости, исходный и конечный коэффициенты пористости;
аг- половина угла конусности конического гофра;
Р - декремент затухания разрядного тока;
Уэ ■ удельная электропроводность материала; уПр - угол динамического пружинения;
Д5 Дк - величины отклонения заданного профиля борта;
63, Д3 - глубина проникновения ИМП по толщине заготовки;
8и, Ди - глубина проникновения ИМП по толщине индуктора;
Д, Иь - зазор между индуктором и заготовкой;
Дэ и Дг, - эквивалентный зазор между индуктором и заготовкой и абсолютный первоначальный зазор между индуктором и заготовкой;
Диз - толщина изоляции витка;
50,Д8, Д8К- исходная толщина заготовки; изменение толщины заготовки; изменение толщины края заготовки после формообразования;
8у - символ Кронекера = 1, при / = ],81} =0, при / * /,);
б;80,8(р- степень деформации; меридиональная и тангенциальная;
8в,8,,8^пр начальная деформация; интенсивность деформаций; максимальная упругая деформация;
“ коэффициент ослабления давления ИМП при удалении заготовки от индуктора;
ф - угол наклона дефекта;
г| - параметр минимизации целевой функции;
-9-
Г|м - коэффициент, характеризующий потери при передаче магнитной
энергии в систему ’’индуктор-заготовка";
р, V - модуль сдвига и коэффициент Пуассона;
Имп и ро - магнитная проницаемость и магнитная постоянная (р0 =1,257 мкГ н/м);
р- плотность материала;
рэ - удельное электрическое сопротивление, Ом-м; а0,аф- меридиональная и тангенциальная составляющие напряжения,
ав,ав - предельное напряжение статическое и динамическое;
сг8- нормальное октаэдрическое напряжение;
сгт , аод - предел текучести материала;
одх, Уо - динамический предел текучести материала;
со, сос, С0р - круговая частота разрядного тока, собственная и рабочая круговая частота.
ИМП - импульсное магнитное поле;
МИО - магнитно-импульсная обработка;
МИУ - магнитно-импульсная установка;
МКР и МКЭ - метод конечных разностей и метод конечных элементов.
-10-
ВВЕДЕНИЕ
Одной из главных проблем, стоящих перед машиностроением, авиастроением и другими отраслями промышленности, является повышение качества и работоспособности изделий при экономичности изготовления деталей.
Большое влияние на долговечность деталей и на назначаемый ресурс оказывает технологическая наследственность заготовки. Это зависит от напряженно-деформированного состояния материала при выполнении технологической операции, величины пластических деформаций и скорости деформации при формоизменении, температурных влияний при сварке и т.п. На долговечность деталей в основном влияют их дефекты, в том числе, технологические, т.е. возникающие при выполнении операций. В
заготовительно-штамповочном комплексе производства к таким дефектам относятся дефекты формы, т.е. отклонения от теоретических контуров детали при штамповке, а также дефекты сплошности структуры материала детали, возникающие при пластическом деформировании и выполнении сборочносварочных операций.
Дефекты формы детали снижают их качество [1,2,3]. Поэтому после формообразования тонколистовых деталей доводочными работами стараются свести к минимуму объем возникших дефектов формы: неприлегание, гофры и т.п. [4]. Доводочные работы традиционно выполняют вручную, что увеличивает трудоемкость изготовления листовых деталей в 1,5...2 раза.
Дефекты сплошности структуры материала в виде межзеренных и т.п. расслоений являются микроконцентраторами напряжений, местами повышенных локальных деформаций, приводящих к их развитию в усталостные трещины при работе детали в конструкции. Дефекты сплошности, образующие пористость структуры материала, напрямую снижают его усталостную долговечность и соответственно эксплуатационные свойства деталей, в целом снижая работоспособность и ресурс рабочих машин
-11-
[5-23]. Залечивание микронесплошностей термообработкой и их смыкание при обработке давлением, как статическими, так и импульсными методами [24-57], позволяет увеличить усталостную долговечность материапов деталей [29,30,34,35,48-52,55-57] и тем самым повысить эксплуатационные свойства машин, летательных аппаратов и т.п.
Постоянное совершенствование изделий машино- и авиастроения, частая их смена, особенно при значительном объёме опытного и мелкосерийного производства, требует применения эффективных технологических методов, которые обеспечивают существенное сокращение сроков подготовки производства, не требуют крупных капитальных затрат, являются достаточно мобильными при переходе на выпуск новых конструкций или модификаций. Импульсные методы обработки металлов: гидровзрывная и электрогидравлическая штамповка, воздействие взрывом и магнитно-импульсная обработка (МИО) [58-63] во многом отвечают этим требованиям.
Импульсные методы обработки, в т.ч. МИО, применимы при изготовлении деталей из листовых и трубчатых заготовок, сварных обечаек и могут использоваться практически для всех операций листовой штамповки, в ряде случаев для прессования порошковых материалов, сварки, чеканки, сборки, а также для обработки металлов с целью упрочнения и повышения долговечности деталей. Импульсные методы позволяют создавать высокие давления обработки деталей, управлять распределением давления по поверхности заготовки и точно дозировать выделяемую энергию. Импульсные процессы сопровождаются инерционными и волновыми явлениями, выделение большого количества энергии происходит в короткий промежуток времени от 10 до 200 мкс. Эти особенности при достаточно точном расчете позволяют управлять напряженно-деформированным состоянием заготовки, ее формой и даже структурой материала в процессе обработки [64-100].
Недостатками высокоскоростных процессов являются, как правило, повышенные требования по технике безопасности, большая доля
-12-
вспомогательного времени в сравнении с основным, пониженная стойкость оснастки, вызванная ударным характером контакта заготовки с оснасткой, сравнительно невысокая производительность. Глубокое изучение физических основ процессов, рациональное их построение, автоматизация и механизация позволяют в значительной мере снизить влияние отрицательных факторов.
Преимущества импульсных процессов полнее выявляются, когда технологические процессы изготовления деталей проектируются с учетом закономерностей, присущих этим процессам. И чем полнее и точнее будут установлены эти закономерности, тем больше технико-экономический эффект от внедрения в производство.
Актуальность:
В современном производстве машин и летательных аппаратов идет непрерывное усложнение объектов производства. С другой стороны наблюдается отставание и недостаточное развитие возможностей технологических процессов, устраняющих или уменьшающих влияние негативных факторов технологической наследственности, таких как дефекты формообразования деталей и нарушения сплошности материалов при пластическом деформировании. Особенно это касается изготовления высоконагруженных деталей корпусов, трубопроводов, электрокоммуникаций и др.
Внедрение эффективных импульсных технологий обработки давлением во многом сдерживается отсутствием научно-обоснованных методов и средств управления параметрами высокоскоростного деформирования материалов, без которых импульсные процессы могут давать результаты, уступающие традиционным методам обработки, и их внедрение становится нерациональным.
В настоящей работе разрабатываются теоретические, методические и научно-практические основы проектирования технологических процессов импульсной обработки алюминиевых сплавов, повышающих качество штампуемых деталей путем уменьшения технологических дефектов формы и
-13-
сплошности материалов на базе численного моделирования и определения наиболее эффективных технологических режимов. Управление формой и скоростью заготовок в процессах обработки давлением импульсного магнитного поля (ИМП) позволяют получать тонколистовые детали с минимальным объемом дефектов формы при минимальной трудоемкости и себестоимости. Управление интенсивностью упругопластической волны сжатия в материалах при воздействии ИМП на заготовки позволяет уменьшить объем дефектов сплошности материала, что оказывает позитивное влияние на служебные свойства деталей. Разработанные методы и средства управления технологическими процессами обработки давлением ИМП существенно повышают качество штампуемых деталей, снижают затраты производства при освоении новых изделий, уменьшают объемы трудоемких упрочняющих и ручных доводочных работ в опытном и серийном производстве.
Таким образом, комплексные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение проблемы повышения качества штампуемых изделий путем уменьшения технологических дефектов формы и сплошности материалов, а также на разработку основ проектирования эффективных технологических процессов импульсной обработки, полагаем актуальными.
Цель работы:
Повышение качества и улучшение эксплуатационных свойств изделий из алюминиевых сплавов методом магнитно-импульсной обработки давлением.
Научная новизна.
1. Разработана методика и проведена адаптация программного комплекса КЯиС24 для моделирования поведения алюминиевых сплавов при интенсивных нагрузках, вызванных ударом или магнитно-импульсным воздействием, с определением наиболее эффективных параметров по критерию минимизации объемов дефектов формы и сплошности материалов деталей.
- 14-
2. Путем численного моделирования ударного и магнитно-импульсного нагружения исследованы основные закономерности взаимодействия упругопластических волн с одиночными дефектами сплошности в материале. Установлено, что уровень нагрузки, необходимый для закрытия вытянутого дефекта в плоской постановке зависит от коэффициента вытянутости и мало зависит от угла подхода упругопластической волны. В осесимметричной постановке уровень нагрузки, необходимый для схлопывания сферического дефекта (поры) зависит от коэффициента пористости.
3. В качестве характеристики импульсной обработки, не зависящей от метода нагружения, введено понятие импульса давления для зоны, прилегающей к поверхности дефекта сплошности. Определено, что зависимость изменения импульса давления в зоне поры от амплитуды импульсной нагрузки имеет максимальное значение, которое соответствует минимальной величине нагрузки, необходимой для полного смыкания пор.
4. Численно в двумерной постановке решена задача о компактировании системы тел в соединении типа «наконечник - электрожгут» при магнитноимпульсном воздействии.
5. Для расчета электромагнитной силы предложен подход, основанный на использовании величин плотности тока в заготовке и упрощенной модели магнитного объема, учитывающий основные параметры индуктора и физические свойства материала заготовки.
6. Установлены закономерности влияния свойств оснастки на ударный контакт листовой детали об оснастку, исследован характер протекания инерционного разглаживания гофров при ударе об оснастку на основе численного моделирования магнитно-импульсного формообразования листовых деталей при использовании уравнений механики сплошной среды в плоской и осесимметричной постановках.
7. Путем электронной микроскопии структуры алюминиевых сплавов установлено, что после воздействия давления ИМП происходит уменьшение объема дефектов сплошности за счет пластического смыкания берегов пор и
- 15-
микротрещин, а также фрагментация структуры по поверхностям хрупких фаз в субзеренной структуре, дробление и измельчение локальных интерметалл идных включений.
Практическую значимость работы представляют:
- методика определения эффективных технологических режимов магнитноимпульсной обработки деталей давлением для повышения их качества;
- построение на основе численных расчетов номограмм, позволяющих в инженерной практике определять наиболее эффективные режимы магнитноимпульсной обработки для достижения наименьших объемов дефектов формы листовых деталей, дефектов сплошности структуры материалов, а также полного компактирования элементов при соединении наконечника с электрожгутом;
- рекомендации по технологичному проектированию заготовок и деталей, а также классификаторы высоконагруженных деталей, переводимых на обработку давлением ИМП, для опытного и серийного производства;
- диаграммы состояния Л/-сплавов типа Д16АМ и В95пчАМ и их аппроксимации для скоростей деформации, характерных для магнитноимпульсной обработки;
- комплексные материалы по разработке и внедрению импульсных технологических процессов в производство, изложенных в Технологических рекомендациях: "Выбор основных параметров процессов штамповки листовых деталей Л А давлением ИМП" (ТР-1.4 Л 819-90) и "Магнитно-импульсная обработка деталей трубопроводов ЛА для улучшения их служебных и производственных характеристик" (ТР-1.4.3821-95).
- вновь разработанные технологический способ и формообразующая оснастка для импульсной штамповки листовых деталей давлением ИМП, защищенные авторскими свидетельствами, а также спроектированные конструкции индукторов для МИО листовых деталей и обжима наконечников электрожгутов.
-16-
Реализация в промышленности
Методы расчета, методики проектирования технологических процессов, оригинальные конструкции индукторов и оснастки, Технологические рекомендации, разработанные на основе выполнения более 20 хоз/договорных и гос/бюджетных НИР в 1984-2005г.г. при участии или под руководством автора, нашли практическое применение в Новосибирском авиационном производственном объединении (НАПО) им. В.П.Чкалова, Ульяновском авиационно-производственном комплексе, ОАО "ОКБ Сухого", НИАТе и др. организациях. Созданы участки и внедрены технологические процессы формообразования и обработки деталей ЛА давлением импульсного магнитного поля, что подтверждается Актами внедрения.
Экономический эффект от внедрения только на авиационных предприятиях в эквивалентной оценке составляет около 1 млн. руб. на одну машину в год.
Апробация работы
Основные идеи и результаты диссертации доложены и обсуждены на 18 Всесоюзных, Российских, Межреспубликанских конференциях, семинарах и совещаниях, на 5 Международных симпозиумах:
«Проблемы экономии энергетических ресурсов» (Новосибирск: НЭТИ, 1984); «Индукторы для магнитно-импульсной обработки», Тула, ТПИ, 1988г.); XII Юбилейной конференции молодых ученых Института машиноведения (Москва, 1989г.); Всесоюзных и Межреспубликанских научно-технической конференциях «Численные методы решения задач упругости и пластичности»: 11-й (Волгоград, 1989г.), 15-й (Новосибирск, 1997г.), 16-й (Новосибирск, 1999г.), 17-й (Новосибирск, 2001г.), 18-й (Кемерово, 2003г.), 19-й (Бийск, 2005г.); «Новые технологические процессы магнитно-импульсной обработки» (Куйбышев, КуАИ, 1990г.); «Научные основы высоких технологий» (Новосибирск, НП'У, 1997г.); «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, ТГУ, 1998г.); «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, Институт гидродинамики СО РАН, 1998г.); Международных
-17-
Российско-Корейских симпозиумах по науке и технологии: 3-м «КОРУС-99» (Новосибирск, НПГУ, 1999г.), 5-м «КОРУС-2001» (Томск, ТГУ, 2001г.), 6-м «КОРУС-2002» (Новосибирск, НГТУ, 2002г.), 7-м «КОРУС-2004» (Томск, ТГУ, 2004г.), 8-м «КОРУС-2005» (Новосибирск, НГТУ, 2005г.); «Динамика многофазных сред» (Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2001г.); «Наука. Промышленность. Оборона»: 2-й (Новосибирск, НГТУ, 2002г.), 3-й (Новосибирск, НГТУ, 2003г.); 4-м Российско-Китайском семинаре по проектированию и испытаниям элементов ракетной техники (Новосибирск, НГТУ, 2004г.); 7-й Всероссийской конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, НФИ КемГУ, 2004г.). Публикации и НИР
Основное содержание диссертации отражено в 38 научных работах, в том числе в 1 монографии, а также в 2 авторских свидетельствах и более, чем в 15 отчетах по НИР, имеющих государственную регистрацию.
На защиту выносятся:
- научно-методические основы разработки управляемых импульсных процессов обработки давлением деталей машин и ЛА;
- методики определения наиболее эффективных параметров импульсного воздействия на основе численного моделирования: во-первых, для деталей, содержащих дефекты сплошности структуры материала, с определением механизма воздействия упругопластических волн, оценкой изменения объема несплошностей, в зависимости от импульса давления в зоне, близлежащей к поверхности дефекта; во-вторых, для тонкостенных листовых деталей, имеющих дефекты формы, с определением напряженно-деформированного состояния, предельных степеней деформации и возможных мест разрушения;
- методы воздействия давления ИМП для уменьшения дефектов сплошности, возникших в зонах пластических деформаций и при обжиме множества элементов, с целью улучшения эксплуатационных свойств изделий;
- 18-
- методы управления высокоскоростным поведением заготовки, се контакта с оснасткой, инерционного разглаживания гофров из условия получения деталей заданной точности;
- методы и рекомендации по проектированию и выполнению технологических процессов, инструмента (индукторов), оснастки при штамповке и обработке, улучшающей эксплуатационные свойства деталей, давлением ИМП;
- зависимости сопротивления деформированию от скорости и степени деформации для А1-сплавов типа Д16АМ и В95пчАМ при обработке образцов давлением ИМП;
- результаты экспериментальных исследований по влиянию импульсной обработки на изменение структуры и пористости плоских образцов из А1-сплавов после МИО, а также на форму и размеры листовых деталей при формообразовании давлением ИМП.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность научной проблемы, практическая значимость рассматриваемой в диссертации тематики, сформулированы цель работы, научная новизна и основные положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе дан анализ состояния проблемы повышения качества и эксплуатационных свойств изделий при пластическом деформировании импульсными методами. Обоснован метод исследования - численное моделирование. Выявлены факторы, определяющие эффективность внедрения импульсной обработки, в частности импульсным магнитным полем (ИМП), сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе в двумерной и полной постановке в рамках модели механики деформируемого твердого тела численно проведено численное исследование влияния ударного воздействия на технологические дефекты при упругопластическом деформировании деталей. Для импульсного смыкания
- 19-
множества дефектов сплошности определено, что коэффициент пористости является характеристикой материала. Исследованы основные факторы, определяющие уменьшение пористости при импульсном нагружении материала: - исходный коэффициент пористости; - амплитуда, форма, время действия импульсной нагрузки; - динамический предел текучести материала обрабатываемых деталей. Исследован механизм ударного контакта заготовки с оснасткой и инерционного разглаживания гофров.
Третья глава посвящена теоретическим исследованиям влияния давления ИМП на дефекты сплошности алюминиевых сплавов. Определены предельные значения плотности наведенных ИМП токов в детали, при которых материал не плавится и не разрушается в зоне дефектов. Исследован процесс магнитно-импульсного компактирования элементов в системе многоэлементных деталей. Определены наиболее эффективные режимы обжима системы "наконечник-электрожгут" давлением ИМП. Для полного компактирования электрожгута построена номограмма для инженерного использования в производстве при обжиме наконечников с помощью МИО.
В четвертой главе проводилось определение наиболее эффективных параметров импульсного воздействия для уменьшения технологических дефектов пластически деформируемых деталей. С помощью универсальной характеристики процесса - импульса давления в зоне поры - определены наиболее эффективные режимы импульсной обработки ударом и ИМП. Предложена методика для инженерного расчета эффективных технологических режимов импульсной обработки с составлением номограмм. По результатам численного моделирования и определения наиболее эффективных параметров ударной и магнитно-импульсной нагрузки построены номограммы, определяющие заданное уменьшение объема дефектов в материалах с различной исходной пористостью, плотностью и динамическим пределом текучести. Для наиболее эффективной магнитноимпульсной штамповки тонколистовых деталей из алюминиевых сплавов предложена методика оптимизации параметров нагрузки. Для инженерного
-20-
расчета соответствующих наиболее эффективных технологических режимов магнитно-импульсной штамповки листовых деталей составлены номограммы.
В пятой главе проведены экспериментальные исследования по определению влияния магнитно-импульсной обработки на алюминиевые сплавы и детали из них. Определялось влияние импульсной обработки давлением на изменение пористости. Приведены результаты экспериментальных исследований процессов магнитно-импульсного формообразования листовых деталей, методы управления параметрами внешней нагрузки, изучена кинематика движения заготовок. Проведено сравнение результатов экспериментов с результатами численного моделирования. Построены диаграммы а(е) для ^/-сплавов Д16АМ и В95пчАМ при высокоскоростном деформировании давлением ИМП.
Шестая глава посвящена практическому использованию и опытнопромышленному внедрению результатов исследований. Разработаны эффективные методы штамповки и обработки давлением ИМП. Составлены рекомендации по конструкции заготовок для листовых деталей, технологического оснащения для штамповки и упрочняющей ИМП, индукторов для штамповки, обработки и сборки-обжима. Приведен анализ технико-экономической эффективности и перспективы дальнейшего развития процессов.
В общих выводах представлены основные результаты работы, сформулированные по итогам проведенных исследований.
В приложениях представлены: общий классификатор
высоконагруженных деталей, которые можно изготавливать с применением МИО; классификаторы листовых деталей и деталей трубопроводов, рекомендуемых к изготовлению с использованием давления ИМП; акты внедрения.
Работа содержит 349 страниц и включает 177 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 263 наименований (24 стр.) и приложения (10 стр.).
-21 -
В целом данная работа посвящена исследованию влияния импульсных методов обработки давлением, в частности давлением ИМП, на повышение качества и работоспособности, а также экономичности изготовления деталей машин, самолетов и других изделий в современном промышленном производстве.
Для теоретических исследований принят метод численного моделирования высокоскоростных процессов обработки деталей с учетом импульсного характера распространяющихся напряжений и деформаций, а также с учетом электродинамического воздействия на электропроводные материалы при магнитно-импульсной обработке.
Экспериментачьные работы проводились с целью подтверждения теоретических расчетов. Использованы: электронная микроскопия для сравнения микроструктуры материалов, подвергнутых магнитно-импульсной обработке и без нее; высокоскоростная съемка с помощью камеры ВФУ-1. Для исследования изменения эксплуатационных свойств материалов после МИО применялись испытания плоских образцов на усталостную долговечность.
Результаты работы получили внедрение на предприятиях: Новосибирском АПО им. В.П.Чкалова, НИАТе, Новосибирском филиале ОАО "ОКБ Сухого", НовосибНИАТе.
Автор выражает благодарность за помощь в проведении части экспериментальных работ: Институту теоретической и прикладной механики СО РАН, Институту гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, кафедрам МТ-6 и МТ-13 Московского государственного технического университета им.
Н.Э. Баумана, кафедре "Технологическое проектирование ЛА" Московского авиационного института, Новосибирскому АПО им. В.П. Чкалова, Новосибирскому филиалу ОАО "ОКБ Сухого", НовосибНИАТу, СибНИА им. С.А. Чаплыгина, НИЛ-41 Самарского государственного аэрокосмического университета, кафедре сопротивления материалов и строительной механики Чувашского государственного университета.
-22-
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ИМПУЛЬСНЫМИ МЕТОДАМИ
В современных условиях эксплуатации изделий машиностроения и авиастроения постоянно возрастают требования к их работоспособности. Важнейшей задачей является предотвращение ранних усталостных разрушений элементов ответственных узлов. Однако, зачастую качество деталей, получаемых в заготовительно-штамповочном производстве и используемых для сборки машин, нельзя значительно повысить, применяя традиционные технологические процессы изготовления. Более того, технологически наследуемые несовершенства формообразования, проявляемые в дефектах формы деталей, и структуры материалов, проявляемые в микродефектах сплошности, существенно снижают их усталостную долговечность и, соответственно, ресурс работы машины или ЛА.
Ресурс узлов, агрегатов и в целом рабочей машины ограничивается деталями, которые относятся к классу высоконагруженных. В значительной степени это касается деталей корпуса, трубопроводов, приборного оборудования, в частности, его коммуникаций, шасси и узлов подвески, силовых кронштейнов и некоторых других, на которые падает до 30...40% всех отказов [101-104].
Таким образом, возникает крупная проблема, заключающаяся в необходимости повышения качества изготавливаемых деталей, в частности, штампуемых из алюминиевых сплавов, применяемых для производства изделий авиастроения, машиностроения и др. отраслей с целью повышения их работоспособности, путем повышения эксплуатационных свойств обрабатываемых материалов.
-23-
Применительно к авиационным конструкциям [103] зоны вероятного появления усталостных разрушений делятся на:
а) локальные зоны, характерные тем, что трещины возникают у определенных мест, таких как отверстия, галтельные переходы и т.д.;
б) ограниченные зоны, в которых трещины могут появиться на некоторой небольшой площади, например, в зоне нервюры, стрингера и т.д.;
в) общие зоны, где трещины могут появляться на большой площади, например, в монолитной панели.
Примерный анализ отказов ЛА по данным эксплуатационных фирм ВВС США представлено в табл. 1.1, в которой показано %-ное соотношение отказов по различным составным частям и системам [104].
Таблица 1.1.
Система ЛА Год эксплуатации
1-й (%) 2-й(%) 3-й (%)
Фюзеляж, крыло, оперение 2,64 2,39 1,83
Шасси 3,34 4,77 2,69
Система управления 0,66 0,41 0,22
Гидрогазовая система 12,19 6,86 3,46
Топливная система 3,99 10,76 3,24
Масляная система 6,18 3,63 0,07
Двигатели и их агрегаты 5,97 3,19 2,63
Приборное оборудование (в т.н. электропроводка) 15,4 23,1 64,62
Общее количество отказов 2427 4108 12886
Анализ таблицы, а также отказов по другим типам машин показал, что большое число дефектов падает на трубопроводы и агрегаты гидрогазовой, топливной и масляной систем, двигатели и их агрегаты и детали шасси. Значительное количество отказов относится также к планеру самолета. Максимальное количество дефектов относится к приборному оборудованию,
-24-
которое в настоящей работе в целом не рассматривается. Однако рассматриваются детали электропроводки, а именно соединение "наконечник-электрожгут". В случае выполнения этого соединения прессовым механическим способом его надежность не всегда достаточна и значительная доля отказов именно приборного оборудования является следствием ненадежности прессового механического соединения наконечников с электрожгутами.
Одним из путей повышения качества деталей, получаемых с помощью штамповочных формоизменяющих операций, является применение импульсных методов обработки давлением, в частности, магнитноимпульсной обработки [29,30,34,35,48-52,55-57,64-98].
По системам, указанным в табл. 1.1, был проведен анализ номенклатуры деталей применяемых в производстве гражданского авиастроения в России и за рубежом [101]. В результате определены классы штампуемых деталей, получаемых в формоизменяющих операциях, которые могут быть переведены на изготовление методом МИО, и составлен классификатор таких деталей (рис. 1.1). Настоящий классификатор составлен автором диссертации с учетом обобщения опыта получения деталей с использованием энергии импульсного магнитного поля, технологического анализа изготавливаемых деталей и оценки возможностей применения метода в условиях серийного производства.
Классификация проводилась по конструктивно-технологической общности, базирующейся на группировании деталей по конструктивному назначению и по общности технологии их обработки. Выделялись классы деталей и классы операций, для которых применяется и возможно применение магнитно-импульсной обработки.
Определены следующие классы операций для выполнения с помощью
МИО:
- класс I - магнитно-импульсная штамповка;
лтхлп тту*оп?оюао*
ЛЯСТОДЫГ. ДЕТАЛИ
Ггт»«»
1« \
адрчй* а*э *%щ*у
Эсхэо
гипэвсА
1СШШ
АМ/2М.ЛМ/1М.ЛММКЛЛиАМ.Д1«ЛТ ( ЛМ/2М.ЛМг1М. АМяЛМ. ЛМНМ
ДМЛЫ. ЪПшхАН. 1420.1420
ДилМ.ВЯ*чЛМ. 14 М. 1420
1>«-«0...12Окках<-3_40^кЛ-и...и1и1 С>г-АС..Л60«сДд-13 .«СютсЬо - ОХ.. О км
Л1В-1И..1М1Ю0 .ЛС«с4с к-1Ьмс К~-йЛ..А.г
-ии2м
ЛжБ-1Я..1301г00^3Ошс*о- 1.0 ..и.
Ка
МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ СБОРКА
Г>г
Зжскт^отуш
Тшгя
ГУ*ЯО«_
1Шй«ГИ юркого рмши
Эасю
иг
Д2<АГ,СМ10
Д14АТ
I Д14ЛТ
Гвб^тв
I* -1. .Юме »я - 10..^4«*с 1м - 23 ...43«
и-м~и«
£*-4~14шс01
Ьв-1«...4]ш>
-1 ЗСиг. V» - И-Л*ис
Е>»-14_ДО«сЦ*-13...20*мс*#- Ок-12_.40шсА*-13 и~1А«
Юисс
ОБРАБОТКА ИМП ЛАЯ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА
УПГОЧБЦООШАЯ о стахопса
П7+-Г
ДГ7™-
Эаао
тягкясЛ
дстяос
т
р
Л14АГЛ1ИА1В.
Д1^1Ш2.МЗ»сТ1
11Х1ЪОТУшжУ*САш1-и. XI си ОТ.
клгска-вд.
КХГСМА. ЗОХГСА. Ы4С-З.Ы2
Ья" 130С... 1 ОЗООмк
А- 4..Х«
I Ртт-и.ЮОккХ. I С.72.2.?«
-100-1«
31«
43111>ОЛ>01 ли 1001440x4 11. МДО»
-26-
- класс II - магнитно-импульсная сборка;
- класс III - обработка ИМП для повышения эксплуатационных свойств деталей.
В указанные технологические классы включены классы деталей, которые могут изготавливаться с помощью ИМП. Классы операций подразделяются на группы и виды операций. Классы деталей подразделяются на отдельные типы по виду основной технологической операции.
В технологический класс I включены следующие классы деталей:
- детали трубопроводов;
- листовые детали.
Для изготовления применяются формообразующие операции: раздача, калибровка для трубопроводов; гибка, гибка-формовка выпуклого контура, отбортовка отверстий и вогнутого контура для листовых деталей.
Оборудованием для выполнения операций технологического класса I для алюминиевых сплавов являются серийные магнитно-импульсные установки типа МИУ20/5, МИУ40/10, МИУ80/10, "Импульс-БМ" и другие с собственной частотой 20...25кГц. Для штамповки нержавеющих и титановых сплавов необходимо применение высокочастотных МИУ, типа УМП20/20, МИС-6, с собственной частотой до ЮОкГц.
Технологический класс II - магнитно-импульсная сборка -охватывает изготовление следующих классов деталей:
- электрожгуты;
- тяги управления;
- шланги низкого давления;
Группа операций охватывает соединение деталей обжимом.
Оборудованием для выполнения операций технологического класса И, в основном, являются те же МИУ, что и для класса I.
Технологический класс III - обработка ИМП для повышения ресурса после изготовления деталей. Он охватывает следующие классы деталей:
-27-
- монолитные вафельные панели;
- сварные детали трубопроводов;
- сварные детали шасси.
Для выполнения операций технологического класса III, в основном, применяют магнитно-импульсные установки типа ВНИМИ, ЭМО, МИУРИ, УМОИ - 80, “Импульс-ЗМ”, БУР-83, ’'Контакт”, и другие. Могут применяться и МИУ, указанные в предыдущих классах.
Следует отметить, что в настоящей диссертационной работе этот технологический класс III представлен как перспективный для дальнейших исследований.
Из представленного классификатора можно выделить классы высоконагруженных деталей, эксплуатационные свойства которых (в соответствии с табл.1) недостаточны и существуют резервы для их увеличения. Анализ возможностей МИО [29,30,34,35,48-52,55-57,64-98] показал, что детали на одной и той же рабочей позиции могут быть подвергнуты как формообразованию, так и дополнительному воздействию импульсным давлением, снижающему объем технологических дефектов и повышающему эксплуатационные свойства деталей.
Для выявления возможностей повышения эксплуатационных свойств штампованных листовых деталей рассмотрено распределение разрушений по типовым высоконагруженным элементам каркаса планера, в % (табл. 1.1) [104].
Таблица 1.1.
Центроплан (72 разрушения) Крыло (290 разрушений) Типовой элемент
30,56 59,23 Обшивка, полотно монолитной панели
44,44 2,34 Продольный набор (стрингеры, рёбра монолитной панели)
8,33 1,38 Полки лонжеронов
8,33 8,62 Стенки лонжеронов
- 20,0 Отбортовки вырезов
-28-
- 6,7 Полки нервюр
2,78 1,72 Перестыковочные элементы
2,78 - Силовые крышки
2,78 - Узлы навески агрегатов
Из элементов каркаса планера в соответствии с Классификатором (рис.
1.1) выделены листовые детали, получаемые из алюминиевых сплавов с применением штамповочной операции отбортовки по контуру. При рассмотрении типовой детали каркаса планера - листовой детали типа "борт-стенка” (рис. 1.2) можно выделить следующие зоны возникновения технологических дефектов, которые образуются всегда при изготовлении детали. Первую зону образуют складки или гофры, появляющиеся при гибке-формовке выпуклого в плане борта. Для окончательного формообразования деталей требуется разглаживание или посадка гофров посредством дополнительных доводочных работ, в основном ручных [1-4], что резко повышает трудоемкость и снижает качество изготовления.
Вторая - зона наибольших степеней пластической деформации растяжения, в первую очередь участки внешнего контура радиуса гиба детали.
Известно, что в зоне пластических деформаций растяжения алюминиевых сплавов с ростом деформации возникают и растут дефекты сплошности [5-23], т.е. возникает и увеличивается повреждаемость внутренней структуры материала. При выполнении штамповочных операций над деталями из алюминиевых сплавов можно использовать понятие - пористость, которая
-29-
вызвана накоплением микроповреждений в виде дефектов сплошности при больших пластических деформациях. При этом, чем больше возрастёт объем такой пористости, тем меньшая усталостная долговечность будет у материала, в том числе, у алюминиевых сплавов [5-23]. В дальнейшем повреждаемость или пористость, возникшая после больших пластических деформациях при штамповке, приводит в процессе циклического нагружения при работе машины к дальнейшему росту микроиовреждений, их слиянию и возникновению трещин, а в итоге к разрушению детали [5-23].
Таким образом, основная проблема снижения качества при штамповке
/100*о -V
деталях из относительно тонких ( < 2) алюминиевых сплавов состоит в
й3
образовании повреждаемости или пористости, вызванной большими пластическими деформациями растяжения.
Следует вывод, что решить эту проблему может специальная обработка давлением зон больших пластических деформаций штампованных деталей. МИО является одним из видов такой обработки. При этом возможно одновременное повышение качество формообразования деталей при магнитноимпульсной штамповке.
При выполнении операции гибки-формовки выпуклого борта имеют место оба вида дефектов - гофры 1 и пористость в зонах больших пластических деформаций растяжения на радиусе гиба 2 (рис. 1.3, а).
При выполнении операции гибки для изготовления деталей с прямым бортом (рис. 1.3, б), а также гнутых профилей зона радиуса гиба 2 основная, где накапливается повреждаемость структуры материала, растет пористость из-за больших пластических деформаций растяжения.
При выполнении отбортовки отверстия (рис. 1.3, в) имеет место зона пластических деформаций растяжения как на радиусе гиба 2, так и во всем борте, возрастая вдоль образующей и имеющей максимальную величину по краю отбортованного отверстия 3.
-30-
Рис. 1.3.
Максимальные габариты деталей с отбортовкой по контуру для одного перехода штамповки составляют 500x500мм. Детали изготавливаются из листовых алюминиевых сплавов толщиной от 0,5 мм до 6,0 мм. Радиусы гиба определяются конструкцией и составляют (2,0...4,0) 5о. Классификатор листовых деталей представлен в Приложении 2.
Далее, в соответствии с Классификатором деталей (рис. 1.1),
ЛШо^ч
рассматриваются детали трубопроводов из относительно тонких (----------<2)
й3
^/-сплавов.
Детали трубопроводов подвергаются наиболее сложному спектру нагрузок: внутреннему давлению рабочей жидкости (до 25...35 МПа); пульсирующему давлению потока; вибрациям от двигателя и планера; монтажными напряжениями, вызванные неточностью изготовления. Анализ статистических данных и литературных источников [105,106] показал (рис.
1.1), что разрушение трубопроводов в эксплуатации начинается в части трубы, подвергнутой раздаче 1, в местах изгиба 2 (по наружному радиусу), в местах сварки, пайки 3 и крепления трубопроводов к планеру 4 (под хомутами), от технологических дефектов на внутренней поверхности 5. На перечисленные
-31 -
дефекты падают до 80 % отказов трубопроводов. Разгерметизация соединений составляет приблизительно 20 %.
Разрушение в зоне раздачи 1 и радиусе перехода 2, возникает как на радиусе гиба листовой детали, вследствие эксплуатационных колебаний и вибраций. Число дефектов этой группы составляет приблизительно 4 % от общего количества отказов трубопроводов [105].
В местах изгиба трубопроводов 2 разрушение начинается на внешней поверхности детали вследствие утонения стенки и овальности сечения. Колебания давления рабочей жидкости приводят к повторно-статическому упругому деформированию овального сечения и, как в следствие, - к усталостному разрушению.
Усталостные разрушения сварных и паяных швов 3 вызваны поперечными колебаниями трубопроводов, пульсацией жидкости и инерционными перегрузками.
Трещины, возникающие вблизи крепления трубопроводов в зажимах, хомутах и колодках 4, начинается от внешней поверхности и имеют кольцевое направление.
Наиболее нагруженная внутренняя поверхность трубопровода может иметь ряд технологических или металлургических дефектов 5: продольные риски, микротрещины, шероховатость. Усталостное разрушение начинается от указанных концентраторов напряжений.
Для трубопроводов применяют холоднотянутые и холоднокатаные трубы как из А1-сплавов материалов АМг2; АМгб; АМц, так и других сплавов (12Х18Н10Т; Х15Н5Д2Т; ОТ4-0; ОТ4-1). Диаметр от 6 до 120мм и толщина стенки - /т=0,5...1,5мм. Часто применяются соединения сварные и паяные конструкции деталей трубопроводов. Классификатор деталей трубопроводов представлен в Приложении 3.
-32-
Приведенный анализ свидетельствует, что для увеличения усталостной долговечности трубопроводов необходимо снимать остаточные напряжения, возникшие при изготовлении деталей и монтаже соединений, повышать пластичность материала, улучшать структуру материала (в особенности сварного шва), залечивать потенциальные микроконцентраторы напряжений в виде дефектов сплошности материала, микротрещин, а также царапин, возникших при изготовлении заготовок и деталей.
Далее, в соответствии с табл. 1.1 статистики отказов по системам ЛЛ приборное оборудование вносит наибольший вклад в общее число отказов. Это относится и к электрокоммуникациям, обычно имеющим вид многожильных электрожгутов с клеммами на конце, которые по ОСТ 1 07967-81 называются наконечниками. Сборку наконечников с электрожгутами обычно осуществляют пайкой или пластическим обжимом наконечника на жгуте в соответствии с ОСТ 1 07967-81 и ОСТ 1 00822-88. Сечение электрожгутов составляет от 6 до 70 мм2. Материал наконечников алюминиевый сплав Д16М или медь М2 диаметром от 6 до 18 мм, толщиной 0,8... 1,5 мм.
Однако наличие несплошностей между жилами электрожгута при обжиме наконечника (рис. 1.5) приводит к увеличению переходного сопротивления и снижению прочностных характеристик, в т.ч. снижается долговечность соединения [107-109].