Импульсное формообразование листовых деталей в самолето- и вертолетостроении


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ






ИМПУЛЬСНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ В САМОЛЕТО-И ВЕРТОЛЕТОСТРОЕНИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия






НОВОСИБИРСК

2012

УДК 621.7.044(075.8)
      И 546
Коллектив авторов:
          НВ. Курлаев, НА. Рынгач, КН. Бобин, А.И. Гулидов
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент ЛА. Гуськов, канд. техн. наук, доц. В.М. Степанов
Работа подготовлена на кафедре самолете- и вертолетостроения

И 546 Импульсное формообразование листовых деталей в самолете- и вертолетостроении : учеб. пособие / Н.В. Курлаев, Н.А. Рынгач, К.Н. Бобин, А.И. Гулидов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. - 84 с.

          ISBN 978-5-7782-1911-3

          Представлены теоретические и методические основы расчета и управления параметрами эпюр и импульсов давления, определения наиболее эффективных параметров импульсной обработки для достижения наибольшей точности формообразования листовых деталей.
          Показана методика экспериментальных исследований импульсного формообразования листовых деталей. Приведены примеры технологических рекомендаций для выбора оборудования, проектирования индукторов, оснастки и приспособлений в производстве самолетов.
УДК 621.7.044(075.8)
Курлаев Николай Васильевич Рынгач Николай Анатольевич Бобин Константин Николаевич Гулидов Александр Иванович ИМПУЛЬСНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ В САМОЛЕТО- И ВЕРТОЛЕТОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Редактор ИЛ. Кескевт
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Корректор ИИ. Семенова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская Компьютерная верстка ЯД Гаврилова

Подписано в печать 27.03.2012. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная Тираж 200 экз. Уч.-изд. л. 4,88. Печ. л. 5,25. Изд. № 387/11. Заказ № 570 Цена договорная
Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
ISBN 978-5-7782-1911-3                     © Коллектив авторов, 2012
© Новосибирский государственный технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Применение импульсной обработки для уменьшения дефектов формы листовых деталей................................4
   1.1. Анализ применения импульсных методов для обработки материалов давлением............................................5
   1.2. Основные дефекты формы листовых деталей и их уменьшение при импульсном формообразовании.............................8
   1.3. Особенности магнитно-импульсной обработки материалов.10
Глава 2. Численное моделирование воздействия импульсной обработки давлением на материалы и детали.....................17
   2.1. Математическая модель для исследования влияния импульсной обработки на материалы и ее численная реализация...........17
   2.2. Исследование динамического пружинения борта листовой детали при ударе об оснастку...................................31
   2.3. Оптимизация параметров магнитно-импульсного деформирования для получения листовых деталей с заданной точностью..39
   2.4. Инженерная методика определения наиболее эффективных режимов магнитно-импульсного формообразования листовых деталей с отбортовкой по контуру.............................45
   2.5. Моделирование процесса динамической посадки гофров при ударе борта об оснастку....................................49
Глава 3. Экспериментальные исследования импульсной обработки давлением листовых деталей.....................58
   3.1. Высокоскоростная фотосъемка формообразования листовых деталей давлением ИМИ......................................58
   3.2. Экспериментальное определение точностных характеристик листовых деталей с отбортовкой по контуру при магнитноимпульсной штамповке.......................................67
Глава 4. Применение магнитно-импульсной штамповки при изготовлении деталей летательных аппаратов......................72
   4.1. Особенности обработки листовых деталей давлением ИМП..72
   4.2. Особенности конструкций индукторов для обработки.....76
   4.3. Организация и оснащение участка обработки деталей....79
Библиографический список.....................................83

ГЛАВА 1




                ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ




   Одна из главных проблем, стоящих перед машиностроением, авиастроением и многими другими отраслями промышленности, - это повышение качества и надежности изделий при экономичности их изготовления.
   Большое влияние на долговечность деталей оказывают технологическая наследственность заготовки, которая зависит от напряженно-деформированного состояния материала при выполнении технологической операции, а также пластические деформации и скорости деформации при формоизменении. На долговечность деталей влияют также дефекты материала, в том числе технологические, т. е. возникающие при выполнении операций. В заготовительно-штамповочном комплексе производства к ним относятся дефекты формы, или отклонения от теоретических контуров детали при штамповке. После формообразования тонколистовых деталей доводочными работами стараются свести к минимуму возникшие дефекты формы: неприлегание, гофры и т. п. Доводочные работы традиционно выполняют вручную, что увеличивает трудоемкость изготовления листовых деталей в 1,5...2 раза.
   Постоянное совершенствование изделий, частая смена моделей, особенно в самолете- и вертолетостроении со значительным объемом опытного и мелкосерийного производства, вызывают необходимость применять эффективные технологии, которые обеспечивают существенное сокращение сроков подготовки производства, не нуждаются в крупных капитальных затратах и достаточно мобильны при переходе на выпуск новых конструкций или их модификаций. Импульсные методы обработки металлов - гидровзрывная и электрогидравлическая штамповка, воздействие взрывом и магнитно-импульсная обработка (МИО) - во многом отвечают этим требованиям.


4

   Импульсные методы обработки, в том числе МИО, применяются 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 повышения долговечности деталей. Импульсные методы позволяют создавать высокие давления при обработке деталей, управлять распределением нагрузки по поверхности заготовки и точно дозировать энергию обработки. Импульсные процессы обработки давлением сопровождаются инерционными и волновыми явлениями в заготовках, выделение при этом большого количества энергии происходит в короткий промежуток времени - от 10 до 200 мкс. Эти особенности при точном расчете позволяют управлять напряженно-деформированным состоянием материала заготовки, ее формой и даже структурой материала в процессе обработки.
   К недостаткам высокоэнергетических процессов относятся повышенные требования к технике безопасности из-за применения взрывчатых веществ или высоких электрических напряжений, большая доля вспомогательного времени производства в сравнении с основным, снижение стойкости оснастки, вызванное ударным характером контакта заготовки с оснасткой, сравнительно невысокая производительность. Глубокое изучение физических и механических основ, рациональное построение технологических процессов импульсной обработки давлением, их автоматизация и механизация позволяют в значительной мере снизить влияние этих отрицательных факторов.


            1.1. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ


   Высокоскоростная обработка материалов предполагает использование различных энергоносителей, многообразие передающих сред, схем и конструктивных решений для создания давления на заготовку, большое количество технологических процессов (рис. 1.1).
   В машино- и авиастроении для импульсной обработки материалов давлением используют взрывную, гидровзрывную, электрогидроим-пульсную и магнитно-импульсную обработку. Общим для всех процессов является высокоскоростное импульсное воздействие высокого давления на материал при формообразующих, сборочных, упрочняющих и других операциях изготовления деталей из листовых, трубчатых


5

и других заготовок. Следовательно, в уравнения высокоскоростного деформирования в соответствии с принципом Д’Аламбера необходимо добавлять инерционные силы. Последние изменяют напряженно-деформированное состояние заготовки, что позволяет при правильном их применении существенно расширять технологические возможности операций штамповки. Основная задача исследований процессов импульсной штамповки и обработки деталей сводится к определению оптимальных технологических режимов силового воздействия на заготовку для получения деталей требуемой точности и с необходимыми свойствами. При этом трудоемкость должна быть как можно меньшей.


     Рмс. 1.1. Основные виды энергоносителей, передающих сред и устройств для импульсной обработки давлением


   Анализ технологических процессов гидровзрывной и электрогид-равлической штамповки показывает, что их целесообразно применять для изготовления и обработки замкнутых цилиндрических деталей, листовых деталей с элементами вытяжки, рифтами, штампуемых в глухие матрицы с вакуумированием. Эти виды штамповки требуют наличия передающей среды - жидкости. Для импульсной штамповки листовых деталей с отбортовкой по контуру, обработки высоконагру-женных деталей машин и летательных аппаратов с целью увеличения их ресурса наиболее целесообразно применять бесконтактный метод магнитно-импульсной обработки.


6

   Проведение первых работ по промышленному использованию МИО относится к началу 1960-х годов. Известный с 1930-х годов физический эффект нашел технологическое применение в процессах штамповки, изменения структуры металла и др.
   Несомненные преимущества магнитно-импульсной обработки:
   •  метод не требует взрывчатых и детонирующих веществ;
   •     индуктор не связан с заготовкой, не требуется передающая среда в виде жидкости или газа;
   •     отсутствует явление кавитации, нагрузка импульсного магнитного поля (ИМП) однородная, что дает возможность более точно ее моделировать;
   •     высокоточное (до 1 %) дозирование импульсной энергии, что необходимо при реализации расчетных оптимальных давлений обработки;
   •     из формообразующей оснастки требуется только матрица или пуансон;
   •     возможно создание высоких удельных давлений ИМП (до 10²...10³МПа);
   •     магнитно-импульсные установки (МИУ) не требуют смазки, автоматизированы, управляются одним оператором;
   •     технологические операции могут осуществляться в труднодоступных местах при использовании гибких шинопроводов для соединения с индуктором.
   Анализ научных и практических работ отечественных и зарубежных исследователей показывает, что применение для обработки деталей импульсных магнитных полей с временем воздействия 10...500 мс и удельной энергией до 10⁹ Дж/м в основном идет по двум направлениям:
   •     для формообразования тонкостенных деталей, сборки и холодной сварки (с временем действия 10 .10 с);
   •     для улучшения физико-механических свойств и структуры электропроводных материалов, увеличения статической и усталостной прочности и долговечности деталей.
   Без детального и всестороннего изучения механизма воздействия ИМП на металлы и сплавы невозможны оптимизация режимов обработки и получение высоких результатов в области увеличения пластичности, статической и усталостной прочности материалов. Большое разнообразие способов и режимов обработки, факторов воздействия,

7

разброс исходных параметров материалов, разнообразие и сложность методов измерения полученных результатов, их нестабильность чрезвычайно затрудняют исследование механизма воздействия полей и токов и зачастую приводят к противоречивым и даже отрицательным результатам.
   Таким образом, необходимо решать проблему управления параметрами импульсной обработки давлением, чтобы повышать качество изделий путем уменьшения технологических дефектов их формы.


1.2.  ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ ФОРМЫ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И ИХ УМЕНЬШЕНИЕ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ФОРМООБРАЗОВАНИИ


    В случае отбортовки выпуклого контура листовой детали как при квазистатическом, так и при высокоскоростном деформировании в определенных условиях наступает потеря устойчивости борта, т. е. образуются гофры. Следующие за этим доводочные работы до настоящего

времени на 95 % производятся вручную.
   Исследование задачи одноразовой посадки гофров (рис. 1.2) при квазистатическом формообразовании листовых деталей проводилось в

Рис. 1.2. Схема посадки гофра

МАИ. Изучение устойчивости при деформировании плоских и трубчатых заготовок в процессе импульсной штамповки проводилось в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана, в Омском политехническом институте, в Самарском государственном аэрокосмическом университете.
   Экспериментальные работы по магнитно-импульсному формообразованию выпуклых в плане бортов из алюминиевых сплавов позволили установить предельные коэффициенты отбортовки выпуклых контуров

(А®^б¹ = D.jD^, где D₃ - диаметр заготовки, Вд - диаметр детали),

которые примерно на 20...25 % превышают значения при штамповке эластичной средой. Увеличение предельного коэффициента отбортов

8

ки с учетом динамической посадки гофров составляет примерно 1,3 раза в сравнении с квазистатическим деформированием.
   Перечень несовершенств листовых деталей типа борт-стенка следует дополнить несовершенствами формы, которые возникают при импульсном формообразовании по образующей борта, а также по его толщине. Отклонения формы заданного профиля борта могут возникать из-за пружинения, недоформовки или неприлегания части образующей борта к оснастке (отклонение от плоскостности) (рис. 1.3). При импульсной штамповке меняется напряженно-деформированное состояние борта и будет иным изменение его толщины вдоль образующей (рис. 1.4): 5д^5г ^ 5К.


Pic. 1.4. Участки борта различной толщины

Рис. 1.3. Отклонение формы заданного профиля борта при штамповке:

      а - пружинение или недоформовка (Ак);
       б - отклонение от плоскостности (А₅)


   Из анализа диссертационных работ Г.М. Лебедева, Л.Т. Буравлева, Г.З. Исаровича, В.А. Глущенкова, А.Г. Полушина, в которых исследовалось формообразование тонколистовых деталей, следует вывод, что к факторам, влияющим на точность штамповки, можно отнести силовые параметры МИО: амплитуду и распределение нагрузки, время действия импульса; параметры оснастки (материал, радиус гиба), параметры ударного контакта заготовки с оснасткой. Факторы, влияющие на точность формообразования, сведены в классификатор (рис. 1.5).
   Для получения деталей с наибольшей точностью необходимо исследовать влияние этих факторов на процесс формообразования различных элементов деталей (прямого, выпуклого и вогнутого в плане бортов).


9

Рис. 1.5. Факторы, определяющие точность листовых деталей

Требуется также оптимизировать параметры, которые наиболее существенно влияют на точность штамповки деталей. Для уменьшения дефектов формы при штамповке давлением ИМП деталей типа бортстенка необходимо: рассчитать эффективные параметры импульсной нагрузки для достижения требуемой точности бортов; определить параметры удара борта об оснастку; решить задачу динамической посадки гофров.



            1.3. ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ



   Магнитно-импульсная обработка основана на преобразовании электрической энергии, накапливаемой в конденсаторной батарее, в энергию импульсного магнитного поля, деформирующего заготовку. Импульсное магнитное поле создается рабочим инструментом - индуктором, через спираль которого происходит разряд конденсаторной батареи (рис. 1.6). Воздействие импульсных наведенных токов в по


10

верхностном скин-слое заключается в том, что силовые линии ИМП с индукцией 5(0, t) (рис. 1.7) проникают в скин-слой металла и наводят в нем индукционный ток, плотность которого у и результирующее магнитное поле зависят от глубины проникновения х и времени t воздействия.


Рис. 1.6. Принципиальная схема выполнения операции «плоская штамповка» давлением ИМП (а) и электрическая схема замещения (б)\

1 - спираль индуктора; 2 - заготовка; КБ - конденсаторная батарея; РУ - разрядное устройство




Рис. 1.7. Взаимодействие импульсного магнитного поля с элементом заготовки

11