Взрывные процессы формообразования деталей

При изготовлении деталей из листовых материалов получили распространение прессы для электрогидравлической штамповки, разработанные НИАТ [53]. На рисунке 8 представлены прессы и установки различной мощности, наиболее широко используемые в авиационной промышленности.

С целью дальнейшей интенсификации процесса электрогидравлической штамповки [54] проведены работы по штамповке с нагревом. На рисунке 9 представлена схема технологического блока пресса ПЭГ - 60 модернизированного для штамповки с нагревом [Р5]. разрядная камера 1 с установленным электродом 2 отделена от заготовки 9 резиновой диафрагмой 3, прижимным кольцом 13 с вмонтированным в него теплоизоляционным слоем 4 и теплоизоляционной прокладкой 14. Матрица 7, установленная на столе пресса 8, имеет съемное кольцо 12, в котором смонтирована спираль для нагрева 10, изолируемая от корпуса матрицы кольцом 6.

Съемное кольцо с целью исключения теплопотерь защищено теплоизоляционным слоем 5, помещенным в кожухе 11. Проведенная работа по штамповке с нагревом, особенно таких титановых труднодеформируемых сплавов как ВТ - 20, показана большие возможности расширения области использования электрогидравлической штамповки.

Требования к технологической оснастке при электрогидравлической штамповке примерно такие же, как и при штамповке взрывом. Для крупносерийного производства или для штамповки деталей с калибровкой, матрицы и другие элементы установок должны быть выполнены из прочных сталей. Для опытного и мелкосерийного производства можно применять более дешевые и легко обрабатываемые материалы.

Главными недостатками электрогидроимпульсной штамповки являются ограниченная энергоемкость установки, невысокая стойкость электродов, большое рассеивание энергии ударной волны.

Рис. 8. Прессы и установки для электрогидравлической штамповки листовых деталей летательных аппаратов и их двигателей.

Рис. 9. Схема технологического блока пресса ПЭГ - 60, модернизированного для электрогидравлической штамповки с нагревом.

Электросхема установок для электромагнитной штамповки аналогична электросхеме установок для электрогидравлической штамповки, однако, принцип преобразования электрической энергии, накопленной в конденсаторах, в необходимую для штамповки механическую энергию отличается. Электромагнитная штамповка основана на преобразовании электрической энергии в механическую за счет импульсного разряда конденсаторов через соленоид, вокруг которого при этом возникает магнитное поле высокой мощности, наводящее вихревые токи в трубчатой или листовой токопроводящее заготовке. взаимодействие вихревых токов с магнитным полем создает механические силы, которые производят деформирование заготовки по пуансону или матрице. На рис. 10 - 13 приведены схемы формоизменения с помощью импульсных магнитных полей [43, 56?65, 185?191].

Рис. 10. Основные схемы магнитно-импульсного формоизменения.

Рис. 11. Концентрация магнитного потока в двух зонах АА круглой заготовки:

1 - индуктор;

2 - конденсатор;

3 - заготовка.

Применяемые для электромагнитной штамповки установки приспособлены, главным образом, для деформирования трубчатых заготовок и изготовления различных соединений труб, однако главным недостатком электромагнитной штамповки является низкая стойкость индукторов. Из проведенного анализа в области динамических высокоскоростных процессов с применением разных энергоносителей видно, что использование пороховых установок для формообразования деталей из листовых заготовок и труб является одним из важных направлений в области машиностроения.

Рис. 12. Раздача трубчатой заготовки путем импульсного пропускания тока:

1 - заготовка; 2 - токопроводящий стержень; 3 -изоляция.

Рис. 13. Принципиальная схема магнитно-импульсной штамповки через промежуточную среду (воду): 1 - корпус; 2 - индуктор; 3 - поршень; 4 - вода; 5 - заготовка; 6 - матрица.

АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

В процессе формообразования деталей из трубчатых заготовок, материал последних испытывает напряженно-деформированное состояние, которое может приближаться к критическому. Для ведения процессов необходим предварительный анализ теоретических расчетов с целью подборки эффективного метода.

В последнее время в строительной механике пластинок и оболочек находит широкое применение для расчетов напряженно-деформированного состояния метод конечных элементов (МКЭ), сводящийся к аппроксимации сплошной среды с бесконечным числом степеней свободы совокупностью подобластей или элементов, имеющих конечное число степеней свободы [66]. В качестве элементов для плоских заготовок применяют треугольники, а для пространственных тетраэдры. В осесимметричных оболочках вращения конечными элементами могут быть части оболочки, образованные из исходной сечениями, перпендикулярными к ее оси вращения.

Внутри каждого элемента задаются функции формы, позволяющие определить перемещения точек элемента по перемещениям в узлах. За координатные функции принимаются функции, тождественно равные нулю, всюду, кроме одного конечного элемента, внутри которого они совпадают с функциями формы. В качестве неизвестных коэффициентов метода Ритца (МКЭ часто трактуется как метод Ритца) берутся узловые перемещения. После минимизации функционала энергии получается алгебраическая система уравнений (основная система), которая может быть решена методами вычислительной математики на ЭВМ.

Расчету больших динамических упругопластических деформаций типа балок и колец методом конечных элементов с учетом упрочнения и зависимости характеристик материала от скорости деформации посвящены работы [66, 68].

Проблемам пластического течения тонколистового металла при импульсном формообразовании посвящены работы [69?71]. В этих работах рассматриваются процессы импульсного формообразования тонколистовой заготовки в круглое вытяжное окно матрицы; соотношения между скоростями движения заготовки, деформациями и перемещениями; между скоростями пластических волн изгиба и растяжения, определено их равенство. Дан способ оценки критической скорости удара, превышение которой приводит к вырубке металла вместо формообразования. Процессы деформирования заготовок описываются системой дифференциальных уравнений.

Большое количество работ посвящено теоретическим вопросам геометрически нелинейной теории упругости в применении к тонким осесимметричным оболочкам [72?85].

Методы решения физически нелинейных задач теории пластичности и общие вопросы теории пластичности рассмотрены в работах [66, 86?114].

Инженерные методы исследования ударных процессов, динамика сооружений, расчет их на действие кратковременных сил, колебания деформируемых систем представлены в работах [115?121].

В монографии [122] учитывается геометрическая нелинейность при решении задач механики сплошных сред методом конечных элементов без учета физической нелинейности и в статической постановке.

Методы решения систем алгебраических уравнений, к которым сводятся задачи, описываемые конечно-элементными моделями в линейной постановке, предложены в работах [123, 124].

Вопросы динамической штамповки местных отбортовок и законцовок на трубах большой длины импульсным методом рассмотрены в работе [125].

Алгоритм расчета динамического поведения плоской заготовки с учетом различных граничных условий, а также представлением материала заготовки упругопластическим с деформационным упрочнением в зависимости от скорости деформации, предлагается в исследованиях [126].

В работе [127] разработан общий вид уравнений связи напряжений и деформаций в материале при одноосном напряженном состоянии с учетом влияния скорости деформации и истории предшествующего нагружения. Здесь же используются квазистатические экспериментальные результаты о механическом поведении материала для описания высокоскоростного нагружения.

В работах [128?132] учтены физическая и геометрическая нелинейности при решении задачи импульсного упругопластического деформирования плоской заготовки методом конечных элементов. Здесь же учитываются и другие факторы нагружения и поведения металла при динамическом воздействии: утонение, произвольная диаграмма напряжений-деформаций, инерционные силы, сложность нагружения, начальные деформации и напряжения.

Однако в последних работах решения получены только для деталей из плоских заготовок. При формировании заготовок из труб задача усложняется, так как необходимо применять другие конечные элементы, требуется более простой учет физической нелинейности для улучшения сходимости физически нелинейного решения, изменяются граничные и начальные условия.

В работе [133] с точки зрения механики деформируемого твердого тела рассмотрена безмоментная цилиндрическая оболочка. Траектория деформирования, построенная в двумерном пространстве А.А.Ильюшина, сохраняет квазилинейный характер до интенсивностей деформацией порядка 25%. Затем траектории искривляются, что указывает на необходимость корректировки определяющих соотношений. В той же работе отмечается, что в меньшей степени исследованы постановки и решения задач при нестационарном (с изменением характеристики процесса в точках Эйлерова пространства) конечном формоизменении с учетом упрочнения материала. В работе применен метод конечных элементов.

Анализ, приведенных в данном параграфе работ, показывает, что при определении технологических параметров взрывного способа формообразования деталей из трубчатых заготовок на основе рассмотрения динамики и напряженно-деформированного состояния заготовки-детали можно применить наиболее мощный метод численного анализа - метод конечных элементов, который требует своего дальнейшего развития применительно к рассматриваемому классу задач.

НОМЕНКЛАТУРА ТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД

В конструкциях современных газотурбинных двигателей, особенно большого ресурса, широкое применение получили детали из листовых и трубчатых заготовок, изготавливаемые из высокопрочных нержавеющих и титановых сплавов [64]. иНа рисунке 14 изображен схематический разрез газотурбинного двигателя семейства НК-8, используемого для самолетов Ту-154, Ил-62 и Ил-86. Рассмотрим номенклатуру двух наиболее распространенных групп деталей, занимающих до 15% от трудоемкости изготовления всего двигателя: трубчатые соединения (рис. 14-а) и трубчатые детали, получаемые из листовых заготовок (рис. 14-б).

Рис. 14. Схематический разрез газотурбинного двигателя семейства НК-8:

а - трубчатые соединения;

б - трубчатые детали, получаемые из листовых заготовок.

В двигателях семейства НК-8 находят широкое применение трубчатые ниппельные соединения со сферической и конусной развальцовкой, телескопические и другие (рис.15).

В этих типах соединений, как правило, имеется элемент, содержащий местные кольцевые выпуклости-зиги или развальцовку по форме сферы или конуса.

Рис. 15. Ниппельные соединения.

На рисунке 16 изображено ниппельное соединение трубопроводов. Герметичность в этой схеме обеспечивается за счет упругого контакта наружной поверхностью ниппеля 2 с ответной внутренней конической поверхностью штуцера 4. При этом необходимо обеспечивать плотное прилегание трубы 1 к поверхности ниппеля 2, часть которой является поверхностью сферы. Плотное прилегание трубы к ниппелю достигается ее раздачей без деформации самого ниппеля.

Рис. 16. Ниппельное соединение трубопроводов со сферической развальцовкой в конструкциях двигателей летательных аппаратов.

На рисунке 17 показана схема соединения трубопроводов с конусной развальцовкой. Соединение развальцованной на конус трубы 1 со штуцером 4 выполняется при затягивании гайки 3 через ниппель 2.

Рис. 17. Соединение трубопроводов с конусной развальцовкой.

Телескопическое соединение трубопроводов 1 и 2 (рис. 18) осуществляется с помощью гаек 4, переходника 3 и уплотнительных колец 5.

Рис. 18. Телескопическое соединение трубопроводов.

Изготовление и монтаж трубопроводов, их соединения выполняются на Казанском моторостроительном производственном объединении по ТУ 01.251. Номенклатура законцовок трубопроводов КМПО представлена в таблице 1. Из нее видно, что операция конусной развальцовки концов трубопроводов является наиболее часто применяемой операцией при изготовлении разъемных ниппельных соединений трубопроводных систем двигателей летательных аппаратов.

Процесс образования конической части трубы осуществляется роликовым инструментом на станке TP1-3M, что обуславливает низкое качество получаемых деталей и высокий процент брака (до 15%) из-за остающихся следов контакта жесткого инструмента с трубой и появления трещин от действия локальных нагрузок. Кроме того, наиболее часто встречающимися общими недостатками в конусной развальцовке трубопроводов являются следующие: образование острого угла в месте перехода цилиндрической части трубы в коническую, утонение на кромке конуса до 30%, невозможность обработки высокопрочных материалов, появление трещин в районе максимального диаметра конуса.

Таблица 1

Операция сферической развальцовки осуществляется в специальной оснастке за счет выдавливания сферы с помощью резинового пуансона. Процесс формообразования является трудоемким, включает значительное количество ручных работ при работе с оснасткой. Усиление формообразования, создаваемое прессов модели П-37, приводит к частой смене резиновых пуансонов и не всегда обеспечивает требуемое качество готовых деталей. Использование эластичного пуансона дает большой процент недоштамповки по внутренней поверхности ниппеля, быстрый износ эластичного материала, затрудненный съем его из трубы после штамповки.

Операция зиговки труб диаметром более 18 мм осуществляется на роликовом станке модели Д-7690-75-00-000, изготовленном в объединении, а зиговка труб диаметром 16 мм и менее осуществляется вручную.

Процессу роликовой обкатки присущи следующие недостатки: появление утонения (до 40%) на стенках зигов, получение недеформированного зига, нечеткое оформление радиусов перехода, эллипсность трубы и появление трещин в районе максимальной раздачи.

Как видно из вышеизложенного наиболее распространенные методы развальцовки на конус, сферической развальцовки и зиговки обладают существенными недостатками и ограниченными возможностями. Это вызывает необходимость изыскания новых методов изготовления законцовок труб и разработки соответствующего оборудования, обеспечивающих более высокое качество получаемых деталей, простоту применяемого оборудования и инструмента, возможность формообразования труднодеформируемых материалов, экономичность процесса.

Формообразование трубчатых деталей из листовых заготовок по существующим технологическим процессам также является трудоемкой операцией с применением значительной доли ручных доводочных работ.

Так, трубчатая деталь «переходник» (рис. 19-а) из листовой стали Х18Н10Т толщиной 1 мм по прежней технологии штамповалась на гидравлическом прессе в приспособлении с разжимным пуансоном в 2-3 приема. Недостатком такого способа является неравномерность деформации заготовки по периметру при растяжении на пуансоне и значительная огранка, которая только частично уменьшается при увеличении количества приемов формообразования. Это являлось причиной частого брака и некачественной сборки со стыкуемой деталью.

Детали типа «патрубок» (рис. 19-б, в, г) из материала BT1-0 толщиной 1,2-1,5 мм изготовлялись из двух половинок, предварительно отформованных в штампе с ручной подгонкой и сваркой этих половинок. Недостатком такой технологии является большая трудоемкость и нерациональный расход листового материала.

Изготовление детали «кожух» (рис. 19-д) из материала ЭИ-696А толщиной 1,5 мм по прежней технологии включало гибку в цилиндр и последующую сварку стыкового шва, а также выколачивание вручную двух бобышек и образование 14 отверстий с отбортовками.

Деталь типа «цилиндр» (рис. 19-е) из листовой стали Х18Н10Т толщиной 1,5 мм изготовлялась ручной слесарной обработкой, требующей значительной подгонки при сборке в узле по отбортовке и срезу.

Деталь «середина бака» (рис. 19-ж) из материала BT1-0 толщиной 1 мм изготовлялась по прежней технологии путем сворачивания листа в цилиндр и сварки, ручной выколотки четырех круглых площадок и формообразованием кольцевого рифта.

Указанные недостатки существующих технологических процессов получения трубчатых деталей из высокопрочных труднодеформируемых материалов определили задачи создания новых технологических процессов и оборудования, которые бы позволили значительно уменьшить долю ручных доводочных работ, уменьшить количество переходов и обеспечили более высокое качество изготовления деталей, поскольку система показателей качества, принятая при производстве авиационных газотурбинных двигателей имеет взаимосвязь с критериями эффективности в эксплуатации этих двигателей [143].

Рис. 19. Трубчатые детали:

а - «переходник»; б, в, г - «патрубок»;

д - «кожух»; е - «цилиндр»; ж - «середина бака.

Рис. 20. Схема высокоскоростного молота взрывного действия [141,145, 155?160]:

1 - заряд пороха; 2 - станина; 3 - силовая рама; 4 - амортизаторы; 5 - основание силовой рамы; 6 - переходные конуса; 7 - сменные матрицы; 8 - ствол; 9 - шток; 10 - снаряд-боек; 11 - гайка; 12 - гидромеханический замок; 13 - гидроцилиндры; 14 - взрывная камера;

15 - затвор; 16 - штамповая оснастка; 17 - штоки; 18 - букса; А - коническое гнездо;

В - гидравлическая полость.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЗРЫВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ

Предлагаемые техпроцессы предусматривают возможность проведения операции калибровки, зиговки, конусной и сферической развальцовки трубопроводов диаметрами 8?60 мм на пороховых установках моделей УП-1 и УФКТП-16/60, а также диаметрами 60 - 600 мм на высокоскоростном молоте взрывного действия, вместо используемого оборудования в виде трубовальцовочного станка ТР1-3М, пресса П-37, роликового станка Д 7690-75-00-000, поскольку наиболее трудоемкими являются процессы сферической развальцовки, а наибольшая номенклатура по изделиям ТМ, ТВУ, М, У приходится на коническую развальцовку. Трудоемкости формообразования труб и номенклатура трубопроводов приведены в таблицах 2 - 4.

Таблица 2

Трудоемкость формообразования труб

Таблица 3

Номенклатура трубопроводов по конусной развальцовке

Таблица 4

Номенклатура трубопроводов по сферической развальцовке и зиговке

Страницы: 1, 2, 3