Разработка методики проектирования технологических процессов формообразования полых осесимметричных деталей ГТД

Прогресс в области производства авиационной техники, создание новых летательных аппаратов определяется, в значительной мере, непрерывным развитием и совершенствованием конструкций авиационных двигателей, совершенствованием технологий их изготовления.

Перед производством авиадвигателей ставится задача выпуска изделий с высокими технико-экономическими показателями: максимально достижимым коэффициентом полезного действия, минимальным отношением массы на единицу тяги, минимальной трудоемкостью изготовления и сборки, максимально достижимой прочностью, надежностью и долговечностью в эксплуатации /66/.

Статистикой установлено, что около 60% отказов в эксплуатации газотурбинных двигателей (ГТД) вызвано разрушением и поломкой отдельных деталей вследствие их недостаточной прочности. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция обеспечения качества на первой стадии создания авиадвигателей — в процессе его проектирования. В связи с этим, большое внимание уделяется разработке научных основ проектирования и изготовления ГТД, обеспечивающих получение изделий с высокими эксплуатационными свойствами при наибольшей производительности труда и минимальной себестоимости.

Предъявляемые высокие требования к деталям ГТД закладываются, в первую очередь, в заготовительном производстве. Оно должно гарантировать: изготовление такой формы и размеров деталей, которые обеспечивали бы наибольшую долговечностьминимальные концентрации напряжений в деталяхминимальные остаточные напряжения, возникающие при обработке. Точность изготовления детали должна обеспечивать гаранта7 рованные посадки, качество поверхности, требуемые показатели по усталостной прочности.

Конкурентоспособность ГТД складывается из ряда показателей, таких как: коэффициент использования материала, себестоимость изготовления деталей, трудоемкость, величина материальных и энергетических затрат, степень гибкости производства, уровень его механизации и автоматизации. Задача создания интенсивных технологических процессов, гарантирующих высокое качество выпускаемой продукции, ведет к использованию в заготовительном производстве ГТД различных способов пластического деформирования. Холодная листовая штамповка, по сравнению с другими способами обработки высокопрочных материалов, обеспечивает высокие показатели по точности, производительности, коэффициенту использования материаладает возможность получения деталей ГТД с высокими прочностными характеристиками при малом весе.

Авиационные двигатели содержат множество деталей, изготовляемых методами обработки давлением и, в частности, листовой штамповкой, например: кожух камеры сгорания, входной конус жаровой трубы, корпуса фильтра масляного агрегата, переходники, корпуса датчиков расхода топлива, манжеты воздухопроводов, заготовки для изготовления гофрированных оболочек типа сильфон, для изготовления изогнутых патрубков, детали трубопроводов и др.

Большинство из этих деталей имеет форму тел вращения (полые осесимметричные оболочки). Основной операцией получения полых оболочек является вытяжка изделия из плоской или трубной заготовки. Эта операция позволяет снизить трудоемкость формообразования, энергетические затраты и получить рациональную форму детали, способствующую максимальному снижению концентрации напряжений, увеличению прочности материала, повышению срока службы детали. Использование быст8 росъемных пакетных штампов, универсальных блоков, средств механизации позволяет значительно увеличить уровень гибкости производства при условии высокого качества продукции.

Качество продукции достигается при использовании штамповочного инструмента рациональной конфигурации, в том числе матриц с радиальными вытяжными кромками. В инженерной практике для расчета, проектирования инструмента и создания технологических процессов используются теоретические зависимости параметров, которые не всегда точно отражают реальную картину формообразования полых оболочек. Поэтому актуальной становится задача разработки научных основ построения рациональных процессов вытяжки, обеспечивающих высокую производительность, минимальную себестоимость при высоком качестве продукции.

Выполненная автором работа и посвящена решению указанных выше задач.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а, — большая полуось эллипса, мм в, — малая полуось эллипса, мм Р1 — параметр гиперболы, параболы, мм Е — эксцентриситет эллипса, гиперболы, А — исходное положение линии тока, мм Vобъем, мм л.

IV— элементарный объем, мм бй1 — элемент поверхности, мм2 р, 0, ф — тороидальные координаты х, у, гдекартовы координаты ии — скорость перемещения пуансона, мм/с ир, ие, иф — компоненты скоростей течения материала в радиальном, трансверсальном и окружном направлениях, мм/с Юо — начальная угловая скорость радиус-вектора, с-1 со — текущая угловая скорость радиус-вектора, с-1 8 — угловое ускорение, 1/с2? — время, с, а — угол между абсолютной скоростью и ее трансверсальной составляющей, р, 8е, вф, уре — компоненты тензора скоростей деформаций, с" 1 Д ~ интенсивность скорости деформации сдвига, с-1 ер, ее, еф — логарифмические деформации по соответствующим координатам гм — радиус кромки матрицы, мм гп — радиус закругления кромки пуансона, мм Яп — радиус пуансона, мм Я0 радиус исходной заготовки, мм Яттекущий радиус кромки фланца, мм г3 — радиус перехода донной части заготовки в цилиндрическую, мм Ях, Я/, Яд — радиусы заготовки, мм, а в — предел прочности материала при растяжении, МПа.

От — предел текучести материала, МПа аЛ- - напряжение текучести, МПа т — касательные напряжения, МПа а2 — напряжение на границе очага деформаций, МПа.

8Ш — логарифмическая степень деформации материала, соответствующая началу образования шейки ц — коэффициент трения кв — коэффициент вытяжки сту — предел выносливости, МПа IVа — активная мощность, кН-мм/с.

— мощность пластической деформации, кН-мм/с.

— мощности, затрачиваемые на преодоление сил трения и сдвиговые деформации, кН-мм/с q — давление прижима, Мпа Р — деформирующая сила, кН.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Результаты комплексных исследований по анализу особенностей формообразования полых осесимметричных деталей в штампах с тороидальными кромками матриц позволили сформулировать следующие выводы.

1. Анализ современного состояния вопросов теории и практики формообразования полых оболочек показал, что имеющиеся теоретические разработки о характере деформации на тороидальных кромках матрицы имеют противоречивый характер. Исходя из них, сведения о влиянии радиуса кромки матрицы на величину напряжения в опасном сечении также противоречивы. По имеющимся данным очень трудно дать однозначный ответ на вопрос о рациональной величине радиуса кромки матрицы.

В настоящее время отсутствуют методы расчета деформирующей силы для операции выворота труб в холодном состоянии.

Дальнейшее развитие в области формообразования осесимметричных оболочек с тороидальными участками различными способами листовой штамповки (выворотом, вытяжкой цилиндрической детали из плоской заготовки, прямой и реверсивной вытяжкой) требует разработки теоретических и практических основ деформирования материала в участках двойной кривизны.

2. Исследование механизма течения материала в тороидальных участках очага пластической деформации показало, что аппроксимация линий тока уравнениями окружностей неприемлема, так как она вступает в противоречие с гипотезой плоских сечений и кинематическими граничными условиями.

На основе выполненных исследования сформированы модели течения материала с непрерывным распределением скоростей, основанные на априорной оценке перемещения материальных точек по кривым, являющимся частью семейств эллипсов, парабол и гипербол. Эти модели удовлетворяют гипотезе плоских сечений и кинематическим граничным условиям и более точно отражают реальную картину течения материала.

Исследование математических моделей и их экспериментальная проверка показали, что наиболее адекватной является модель течения материала по кривым, представляющим часть семейства эллипсов.

3. Результаты выполненных исследований позволяют ставить и решать различные задачи по оценке напряженного и деформированного состояний материала в тороидальных участках очага пластической деформации и, в частности: установить, что перемещение материальных точек в меридиональных сечениях участков двойной кривизны складывается из трех движений — поступательного, вращательного и деформационного, и носит знакопеременный характерпостроить поле скоростей перемещения материальных точек по сечению деформируемой заготовкипостроить поле скоростей деформаций и определить интенсивность скоростей деформаций по сечению заготовкиопределить величины деформаций по сечению и с учетом этого установить в тороидальных участках зоны с различными схемами деформированного состояния, а также оценить в них энергетические затраты мощности на совершение пластической деформации.

4.Комплексный анализ процесса формообразования полых оболочек предусматривает раздельное исследование напряженного и деформиро.

162 ванного состояний материала в отдельных участках заготовки с последующей стыковкой этих участков по граничным условиям.

Выполненные исследования по установлению напряженного и деформированного состояний позволили получить аналитические решения, учитывающие наибольшее число факторов реального процесса деформирования. На основе этих решений созданы методики расчета напряжений и сил для различных процессов формообразования деталей и различными схемами приложения усилия, а именно: впервые получены аналитические зависимости для определения напряжений и сил при вывороте концов труб в холодном состоянии, построить зависимости относительных максимальных напряжений от относительного радиуса матрицы для различных толщин материала и размеров трубчатых заготовок. Это дало возможность прогнозировать возможность выворота концов труб на определенный радиус без разрушения материала, определить оптимальные радиусы штамповой оснасткидля операции вытяжки плоской заготовки получены аналитические зависимости для определения напряжений на границах двух участков очага деформаций при вытяжке — фланцевой части и тороидальной — и построены зависимости этих напряжений от величины смещения кромки фланца по ходу деформированияопределены максимальные значения напряжений на границе очага деформаций с недеформированной частью заготовки, построены графики зависимостей этих напряжений от радиуса кромки матрицы для различных радиусов штампуемых оболочекдля последующих операций вытяжки по прямой и обратной схемам получены аналитические зависимости для определения максималь.

163 ных растягивающих напряжений на границе очага деформаций, построены зависимости их от величины радиуса кромки матрицы. Выполненные исследования позволяют более точно решать вопросы о количестве переходов при многооперационной вытяжке и оптимизировать параметры штамповой оснастки с целью получения качественных деталей за наименьшее количество операций при минимальной энергоемкости процессов.

5. Разработаны методы, устройства и проведены эксперименты по изучению характера течения материала в тороидальных участках, установлению силовых факторов формообразования полых осесимметричных деталей. Результаты исследований показали правомочность сделанных теоретических предположений и высокую адекватность математических моделей и, в частности, позволили: подтвердить экспериментами достоверность теоретических представлений о течении материала в тороидальных участках по кривым, отличным от окружностейустановить, что наиболее адекватной реальной картине течения является модель, предусматривающая перемещение материальных точек по кривым, описанным частью семейства эллипсовопределить опытным путем силы деформирования и подтвердить высокую степень соответствия полученных значений с теоретическимирасхождение не превышает 15% для различных видов формообразующих операцийпоказать, что деформирующие силы для операции обратной вытяжки меньше, чем для прямой вытяжкиустановить зависимость величины силы от типа кристаллической решетки металла.

6. Исследование механических свойств металла, деформированного по различным схемам, дало возможность установить зависимость механи.

164 ческих свойств металла от принятых схем его деформирования и, в частности показало, что: остаточные напряжения в изделиях, полученных реверсивной вытяжкой, на 30% выше, чем при использовании прямой схемыпредел выносливости при использовании вытяжки по прямой схеме на 12% выше, чем по обратноймеханические свойства по сечению изделий, изготовленных прямой вытяжкой, распределены более равномерно, чем при деформировании по обратной схеме.

Эти результаты позволяют прогнозировать величину остаточных и усталостных напряжений в полых деталях ГТД, полученных по прямой и обратной схемам. Теоретические предположения подтверждены данными опытов. Они дают возможность направленно влиять на свойства деформированного металла путем выбора наиболее рациональных режимов формообразования, обеспечивая получение изделий с высокими служебными свойствами и увеличение срока их эксплуатации.

7. На базе сформированной и уточненной экспериментальным путем модели деформирования разработаны рекомендации по использованию эффективных способов определения рациональных параметров формообразования осесимметричных оболочек применительно к изготовлению деталей ГТД: размеров рабочих кромок матриц, минимальных усилий деформирования по различным схемам, рациональному числу операций с обеспечением требуемого уровня качества.

8. Использование разработанных автором рекомендаций при проектировании технологий изготовления деталей ГТД типа «Стакан» и «Диафрагма» позволяет получить экономический эффект около 45 тыс. р. и 227 тыс. р. в год.