Влияние основных параметров процесса формообразования сферообразных оболочек на напряжения, деформации и утонение стенок заготовки

УДК 621.7.043

Е.И. Исаченков, С.В. Ж игилий, В.Г. Коропгкввич

ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СФЕРООБРАЗНЫХ ОБОЛОЧЕК НА

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И УТОНЕНИЕ СТЕНОК ЗАГОТОВКИ

Московский авиационный институт, Россия,

Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого Гомель, Белс^>усъ

Разработка научных основ нового, наиболее прогрессивного процесса полу­

чения сферообразных оболочковых деталей с минимальным утонением стенки, рав­

номерностью свойств и качества поверхности стенки явилось основной целью насто­

ящего исследования.

Анализ напряженного состояния в работе [1] позволил разработать режимы оптимизации процесса, обеспечивающих при формообразовании толщинную дефор­

мацию, приближающуюся к нулю [2].

На базе исследования напряженного и деформированного состояний сферооб­

разной оболочковой детали при формообразовании новым технологическим процес­

сом установлены его наивысшие технологические возможности по гаавному іфйте- рию, каким является минимальное утонение и равномерность толщины стенки. И с­

следования показали, что наивысшие технологические возможности могут быть до­

стигнуты только при создании интенсивного контактного трения между эластичным пуансоном и фланцем заготовки, между центральной зоной заготовки и вкладышем, и минимальной интенсивности трения между матрицей и заготовкой [2, 3].

Получены функциональные зависимости меридиональных наіфяженйй в раз­

личных зонах сферообразной оболочковой детали при фрикционно-реверсивной вы­

тяжке эластичным пуансоном по жесткой матрице [4], учитывающие влияние сил контактного трения, физико-механические свойства деформируемого материала, гео­

метрические параметры инструмента и заготовки, величины давления формообразо­

вания со стороны эластичной среды.

Регулируя напряжения контактного трения в различных зонах формообразу­

емой заготовки, можно добиться минимума меридиональных напряжений в опасном сечении очага деформации и, соответственно, интенсифицировать технологические возможности процесса. Полученные зависимости составляют основу функции опти­

мизации созданного технологического процесса, что позволяет управлять режима­

ми, соответствующими его оптимальным технологическим возможностям. Получе­

ны зависимости, иллюстрирующие поведение основных технологиеских параметров и факторов, влияющих на технологаческие возможности процесса. В результате ис­

следований в различных зонах (рис. 1) [4] сферической оболочки была получена за­

висимость главного меридионального напряжения в опасном сечении [1], которая является количественной характеристикой, управляющей степенью формоизменения и интенсивностью утонения. На основании этой зависимости было оценено влияние на интенсивность наіфяженйя в опасном сечении и величину утонения стенки детали следующих факторов: геометрии матрицы; геометрии эластичного пуансона; вели­

чины давления формообразования со стороны эластичной среды; интенсивности кон­

тактного трения со стороны опорного вкладыша матрицы; интенсивности контакт­

ного трения со стороны эластичной среды; интенсивности контактного трения на фланец заготовки со стороны матрицы; характеристик смазочных сред и интенсифи- каторов трения.

Рж. 1. Структурная схема для анализа напряженно-деформированного состояния заготовки при фрикционно-реверсивной вытяжке эластичным пуансоном по жесткой матрице: I —

эластичный пуансон; II-м а т р и ц а ; Ш - вкладыш; I V - формообразуемая деталь

Из анализа результатов теоретических исследований следуеі; что интенсифика­

ция влияющих факторов и параметров в зоне 7 (опасное сечение) позволяет снизить несущее напряжение в опасном сечении. На основании приведенной формулы:

q

^{^} I ^ » (2 -3 )

^2 ^^2*^0 *^0

+fi(T

² I ^A f(2 -3 )^rC 2 -3 ) "^^»(2-3) ^ l(2 -3 )^ f(2 -3 ) ^ ^ Л Г ( 3 - 4 ) ^ ^

Гз яг5о(2гз5о)

^{n S ,} ( 2 r , + S , ) (r ,S j2 )S ^

S„(2r,, + S„) '^i(4-3) 5„cr,

+ j21(±^Aęt£L„

Гз 2і?^ + 5о я5,(2Гз- 5о)

(2^3 " 5q ) 2jr^3_^

'’^сф ^сф_____________'^сф ^еф

6) ^ ^ -^^(6-7) *0 ^

я5о(2г, + 5о) я5о(2гз + 5о)

где

Sg - исходная толщина заготовки;

q - удельная нагрузка со стороны эластомера;

Р - коэффициент Лоде;

- радиус закругления кромки матрицы;

- радиус сферической оболочковой детали;

-Imoщд^щlш:cn&дyeмьlxyчгLCГ¥oв;

ГрГ^,.. .г^ - радиусы, определяемые участками сферической оболочки;

o.(j 2), <^і(2.з)’ ^і(б-7) ■ сопротивления деформации (интенсивности

напряжений) на различных участках очага деформации сферической оболочко­

вой детали;

'^м(1.2) »'^п(1.2) ^^м(4 5) ^п(4-5) ~ напряжения контактного трения матрицы и пуансона, соответственно, оценивались такие параметры, как радиус закругления кромки мат­

рицы и исходная толщина заготовки.

Изучение влияния исходной толщины заготовки на напряженно-деформирован­

ное состояние заготовки в опасном сечении показало, что чрезмерное утонение стен­

ки сферической оболочковой детали в процессе формообразования ведет к необходи­

мости увеличения ее толщины.

По всем режимам проведены эксперименты с установлением величины напряжения в опасном сечении от основных параметров и управляющих факторов. Для сферической обо­

лочки из материала АМ^АМтолщиной 1,5 ммирадиусом75мм оценивалось влияние напря­

жений конгакгаого трения на нагряженно-деформированное состояние опасной зоны обо­

лочки три фрикционно-реверсивной вьпяжке. На рис.2,3,4 тредставлены графические зави-

симосш шіфяженйя в опасном сечш ш от некоторых п^)амеіров и факторов. Доя эффек­

тивного умшьшения сия вншшего конгакпюго трения на фланце и на вытяжном p ąq ^ c e матрицы (рис.2) необходимо приближшие режима тр^шя к гщфодинамнчешм/ подбором смазочных материалов эффузивной (ошимальной) вязюсш по заданной (известной) скоро­

сти деформирования заготовки и величине максимальных контактных давлений на вытяж­

ном pązpyce матрицы, а также увепичуше положигельных сил контактного трения на пуан­

соне путем тщательного обезжЕфивания последнего, ипи1фимшениеингенсификаторов тре­

ния (канифоли, монокоруцца) в сочетании с использованием схш штамповки, обеспечиваю­

щих тфижахие штампушой заготовки к оуансону в любой мсямкнт формообразования.

О влиянии радиуса залфугаения рабочей кромки матрицы на наттряженно-де- формированное состояние заготовки, а, следовательно, на величину утонения стенки можно судить по графику на рис.З. Для уменьшения величины утонения стенки необ­

ходимо увеличение радиуса закругления матрицы (1 - - ^ ^ ^ ).

Влияние исходной толщины заготовки на напряжение в опасном сечении пока­

зано на рис.4.

Следовательно, чрезмерное утонение стенки сферообразной оболочковой дета­

ли в процессе штамповки-вытяжки приводит к необходимости увеличить ее толщи­

ну для выполнения требований конструктивной прочности деталей. Это приводит в конечном итоге к увеличению расхода металла и массы детали.

Экспериментальные исследования проводились на образцах-оболочках доста­

точно больших габаритов из алюминиевых сплавов АМ^АМ, Д 16М и из нержавею­

щей аустенитной стали 12Х18Н10Т.

Ptic. 2. Зависимость м ^ и ди ального напряонхния в опасном сечении от напряжений контактного трения

Рис. 3. Зависимость меридиалъного напряжения в опасном сечении от относительного радиуса закругления рабочей кромки матрицы

Эксперименты подтвердили правильность выбора смазочных сред и интенси- фикаторов трения на основе обобщенного закона контактного трения с учетом скоро­

сти деформирования, контактного давления на поверхностях трения, эффективной вязкости смазочной среды.

Установлено, что лучшими интенсификаторами трения в технологическом от­

ношении и по величинам напряжений трения являются сухое и гидродинамическое на базе использования интенсификаторов трения.

Рис. 4. Зависимость меридиалъного напряжения в опасном сечении от исходной толщины заготовки

Наибольшее утонение при этих режимах составило 4-5%. Наибольшее утоне­

ние при других режимах трения при фрикционно-реверсивной вытяжке 5-12%, в то время как при штамповке-вытяжке в жестких инструментальных штампах 25-30%.

Проверка адекватности теоретаческих исследований по определению напряже­

ний в различных сечениях заготовки в исследуемом процессе показала достаточную достоверность полученных при этом результатов (в пределах 7,9%).

Создавая оптимальные режимы трения на контактных поверхностях, есть перс­

пектива еще более существенно расширить технологические возможности нового процесса фрикционно-реверсивной вытяжки сферообразных оболочковых деталей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жигилий G.B., Короткевич В.Г. Анализ процессов формообразования сферо­

образных тонкостенных оболочек для летательных аппаратов //Современные іфобле- мы машиноведения. - Гомель: ГПИ, 1998. - Т. 2. - С. 175-176. 2. Жигилий С.В., Короткевич В.Г. Методы уменьшения величины утонения и неравномерности толщи­

ны стенки сферообразных оболочек щ>и фрикционно-реверсивной вытяжке //Про­

грессивные технологии обработки материалов. - Минск: БГПА, 1998. - С. 57-58.3.

Жигилий С.В., Короткевич В.Г. Исследование технологии получения тонкостенных оболочковых деталей //Новые конід^рентноспособные и прогрессивные технологии, машины и механизмы в условиях совршенного рынка. - Могилев: ММИ, 2000. - С.

68-69. 4. Жигилий С.В., Короткевич В.Г. Разработка и исследование процесса полу­

чения сферообразных деталей ЛА //Современные проблемы машиноведения. - Го­

мель: ГТТУ им. П.О. Сухого, 2000. - С. 175..177.