Донбаська державна машинобудівна академія

Маковецький Володимир Вікторович

УДК 621.735.2.043

Удосконалювання технологій і оснащення для

гарячого штампування просторових тонкостінних конструкцій з титанових сплавів з підвищеною

точністю геометричних характеристик

Спеціальність 05.03.05

“Процеси та машини обробки тиском”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Краматорськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній акадерії

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Соколов Лев Миколайович,

Донбаська державна

машинобудівна академія, м. Краматорськ,

кафедра обробка металів тиском ,

професор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Рябічева Людмила Олександрівна,

Східноукраїнський національний

університет ім. В.Даля, м. Луганськ,

завідувач кафедрою

прикладного матеріалознавства;

кандидат технічних наук

Грачов Ігор Анатолійович,

АТ "Новокраматорський машинобудівний

завод", м. Краматорськ, начальник лабораторії кування і термообробки .

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є.Жуковського "Харківський

авіаційний інститут" Міністерства

освіти і науки України, кафедра

технологія виробництва авіаційних

двигунів, м. Харків

Захист відбудеться "23" січня 2003 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1- й навчальний корпус).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії за адресою (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий 20 грудня 2002 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

Д.12.105.01, д.т.н., доц.___________________________________О.В.Сатонін

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У аерокосмічній та авіаційній промисловостях а також в інших галузях використовуються деталі з титанових сплавів. У тому числі великогабаритні вироби з складним зовнішнім профілем, для котрих необхідною заготовкою є штамповка. Економічне одержання штампувань дозволяє знижувати витрати на матеріал і зменшити трудомісткість наступної механообробки.

Традиційна технологія одержання просторових тонкостінних штампувань з титанових сплавів, що включає операції кування, штампування, правки, термообробки, має істотний недолік - необхідна регламентована правка заготовок через значне короблення. Проте можливості правки титанових штампувань обмежені. У зв'язку з цим виникає задача зниження короблення за рахунок удосконалювання технологічного процесу штампування.

З погляду ряду авторів використання ізотермічного штампування може знизити залишкові напруги і короблення. Але через велику трудомісткість і витрати на виготовлення штампового оснащення для одержання великогабаритних поковок з титанових сплавів при ізотермічному штампуванні і переході на його всієї номенклатури поковок даного типу, це економічно виправдано лише при виготовленні штамповок тільки обмежених форм, маси, розмірів і розміру партії.

У зв'язку з викладеним, розглядається питання зниження короблення штампувань. Для чого необхідно розробити нові методи і прийоми деформування заготовок складної просторової конфігурації в штампах за рахунок удосконалювання режимів деформування і конструкції штампового оснащення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає научному напрямку однієї з ведучіх наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії " Розвиток ресурсозберігаючих процесів обробки металів тиском на основі побудови нових методів і аналіз закономірностей пластичного деформування ". Робота викона в межах госбюджетної науково-дослідної роботи в відповідності з координаційними планами Мінистерства освіти і науки Украіни ( накази №453 від 19.12.97, №395 від 23.11.99, №551 від 23.11.2000, робота Дк-01-01, № 012U004052), а також в межах госпдоговірної науково-дослідної роботи з Верхнє-Салдинським металургійним виробничим об'єднанням (Х-50-88, № 0188.0 080730).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищення техніко-економічних показників процесу одержання штампувань просторової форми з титанових сплавів на основі розвитку математичних моделей, програмних засобів і розробки практичних рекомендацій по удосконалюванню штампів і технологічних режимів процесу.

Для досягнення поставленої цілі в роботі сформульовані і вирішені такі задачі:

·

2

·

· проаналізувати на основі експериментальних досліджень зв'язки між конструктивними характеристиками штампової оснастки і характером деформування виробів, при зміні форми чорнових рівчаків штампу, а також уточнити вплив конфігурації чорнових рівчаків і їхніх конструктивних параметрів на розмір прогину при одержанні штамповок типу "панелі" і "коробки" з титанових сплавів;

· розробити і апробувати технічні рішення, а також практичні рекомендації напрвлені на удосконалювання технологічних процесів штампування заготовок просторової конструкції для одержання необхідної якості штамповок.

Об'єкт дослідження - процеси правки гибкою и штампування заготовок просторової конфігурації з титанових сплавів.

Предмет дослідження - причиннно-наслідовно зв'язки і методи розрахунку напружно - деформованого стану процесу правки та основних показників якості при штампуванні заготовок просторової конфігурації з використанням різних схем оснастки.

Методи дослідження - в основі теретичних методів досліджень лежали методи теорії пружності та пластичності, математичної статистики; експериментальні методи включали до себе фізичне моделювання досліджуємих об'єктів в лабораторних і промислових умовах, вимірювання геометричних параметров і механічних властивостей матеріалів.

Наукова новизна роботи полягає в наступному :

·

· вперше експериментально, на моделях з пластичних матеріалів виявлено характер розташування компенсаційних виступів впливаючих на значення короблення і їхньої можливої форми;

· вперше встановлені геометричні параметри і конструктивні характеристики компенсаційних виступів чорнових рівчаків штампів, дозволяючі знизити значення короблення штамповок деталей типу коробок і панелей з виступами;

· запропонована методика вибору конструктивних характеристик компенсаційних виступів чорнових рівчаків штампів.

Практичне значення одержаних результатів. В результаті проведених досліджень:

·

· програмні засоби по автоматизованому розрахунку параметрів штампової оснастки, з ціллю реалізації технлогічних процесів полу-

3

чення штамповок типу панелей і коробок, забезпечуючих зниження трудоміскості проектування;

·

· технологічні і конструктивні рішення , а також рекомендації, забезпечуючі підвищення ефективності і зниження трудоміскості при удосконаленні діючих і проектуванні нових технологій для штампування заготовок просторової конфігурації.

Результати дисертаційної роботи в вигляді спроектованої штампової оснастки і технологічних рекомендацій впроваджені в виробництво на Верхнє-Салдинському металургічному виробничому об'єднанні при одержанні ряду виробів просторової конфігурації, використані також при розробці технології одержання виробів з титанових сплавів на ЗАТ "ВУК-ОЙЛ".

Особистий внесок здобувача При проведенні досліджень, результати яких надруковані в співавтрстві, автору належить розвиток чисельної математичної моделі напружно-деформованого стану правки гибкою, участь в розробці програм, підготовка і участь в проведенні експериментальних досліджень, аналіз і узагальнювання результатів теоретичних і експериментальних досліджень, проведення перевірки результатів в виробничих умовах, розробка рекомендацій і впровадження результатів в промисловість.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи повідомлені на таких науково-технічних конференціях: "Опит освоєння нової техніки, оснастки, матеріалів в кувально-штампувальному виробництві", (м. Пенза, 1988 р.); “Прогресивні методи одержання конструкційних матеріалів і покриття, підвищуючих довговічність деталей машин”, (м. Волгоград, 1989 р.); "Прогресивні технології, обладнання і організація заготівельного виробництва" (м. Краматорськ, 1990 р.); "Використання систем автоматизованого проектування технологічних процесів в машинобудуванні"; (м. Свердловськ, 1990 р.); "Проблеми техніки, технології і економіки машинобудівного виробництва" (м. Краматорськ, 1996 р.); "Нові технології в машинобудуванні", (Харків - Рибач'є, 1993 р.); "Перспективні технології та обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії"(м. Краматорськ, 2000,2001,2002 р.); "Удосконалення процесів та обладнання виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування" ( Краматорськ - Слов`янськ , 2000р.); на науково-технічних конференціях професорсько - викладацького складу ДДМА (1987-2001 р.р.); на розширеному семінарі кафедри "Обробка металів тиском" (2002 р.) і на об'єднаному науковому семінарі при спеціалізованій вченій раді Д12.105.01 ДДМА (2002 р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані: в 12 статттях , з них , 8 у 8 спеціалізованих виданнях по науково-технічній тематиці, нові технічні рішення захищені 3-ма авторськими посвідченнями.

4

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 237 сторінок у тому числі 140 сторінок основного тексту, 99 малюнків на 83 сторінках, 15 таблиць на 14 сторінках, список використаних джерел з 78 найменувань і 4 додатків на 62 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність розв'язуваної проблеми. Показаний зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження. Дано характеристику наукової новизни і практичного значення одержаних результатів, а також їхньої апробації і промислового використання.

СТАН ПИТАННЯ

В розділі розглянута проблема короблення в машинобудуванні в загалі. Підкреслено, що ця проблема виникає на різних ступенях технологічного процесу виготовлення деталі. Доводиться, що перерозподіл залишкових напружень є одною з причин втрати геометрії і слідовно зміни розмірів виробів. Короблення відбувається не тільки при виготовленні заготовок, але й на стадії обробки різанням. Приведено перелік методів знижаючих короблення при обробці, таких як термообробка, віброобробка, управління технологічними режимами обробки та інші.

Далі приводиться аналіз досліджень короблення заготовок. Зроблено висновок, що одним з компенсуючих короблення прийомів є великий залишковий припуск на заготовки. Інші заготовки, окрім штамповок, іноді також мають короблення яке неможливо усунути традиційними методами.

Проаналізовано дослідження короблення поковок в тому переліку з титанових сплавів.

Вказано на переваги та недоліки використання в цьому випадку ізотермічного штампування.

Визначено перелік основних технологічних прийомів, впливаючих на короблення штампованих заготовок, таких як заневолювання, управління термомеханічними режимами процесу, правка, а також ізотермічне штампування. Але ці методи мають ряд недоліків, які не дозволяють усунути короблення при штампуванні заготовок, що приводить до збільшення собівартості поковок.

Розглянуті основні положення теорії залишкових деформацій. На основі приведеного аналізу робіт зроблено висновок, що існують тільки рішення окремих задач, які мають обмежену галузь застосування.

Далі розглянуті основні положення теорії правління гибкою, котрі приведені в роботах Е.Н.Мошніна, В.І.Давидова. І.С.Трішевського, а також роботи,які присвячені правлінню заготовок з кольорових сплавів.

5

Зроблено висновок, що більш розповсюдженим методом отримання тита-

нових заготовок є їх штампування, але при цьому виникає просторове короблення заготовок. Для усунення цього дефекту можливо застосовувати правління гибкою з однотерміновим подальшим вдосконалюванням технологічного процесу та модернізації оснащення.

При цьому застосування правління не гарантує усунення короблення титанових штамповок.

Існуючи математичні моделі не дозволяють прогнозувати з необхідною точністю виправлення форми в складному багатоперехідному технологічному процесі.

Відсутні також моделі адекватно описуючи процес правління гибкою титанових сплавів типу ВТ22 в холодному та гарячому стані.

ВИБІР НАПРЯМКУ И ОСНОВНИХ МЕТОДІВ

ДОСЛІДЖЕННЯ

Обрано метод теоретичних досліджень правки гибкою. В основу було покладене чисельне рекурентне рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного поперечного перетину, розглядаємого послідовно в процесі пружно-пластичного навантаження і пружно-пластичного розвантаження. При цьому враховуються характер розподілу геометричних параметрів, фізико-механічних властивостей, температурного фактора й ефекту Баушингера. В цьому випадку чисельна детермінована математична модель використовується як цільова функція процесу правки гибкою.

Використано методику дослідження процесу правки гибкою, що полягає в імітаційному навантаженні складного профілю відомою силою і надалі фіксуванні величини пружно-пластичного переміщення в середній частині профілю.

Приведено методику деформування зразків з пластичних матеріалів стосовно до форми розглянутих штампувань з попередньо сформованими в чорновому рівчаку компенсаційними елементами різного типу.

Використано методику виміру значення короблення штамповок на зразках з титанових сплавів з використанням спеціального столу з вимірювальним пристроєм. Визначено основні параметри вимірювального пристрою.

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУЖНО –

ДЕФОРМОВНОГО СТАНУ ТА ОСНОВНИХ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ ПРИ ПРАВЛІННІ ГИБКОЮ ТИТАНОВИХ ЗАГОТОВОК

З СКЛАДНОЮ ФОРМОЮ ПЕРЕТИНУ В ПОПЕРЕК

Процес гибки необхідно використовувати з ціллю правління.

Математичне моделювання цього процесу основується на чисельному рекурентному рішенні кінцево-різницевої умови статичної рівноваги елементар-

них поперечних перетинів заготовки. Технологічна схема при цьому передбачає

6

заготовку з повздовжньою кривизною нижчої опорної поверхні радіусу , пружнопластичний протигиб на радіус і в подальшому пружнопластичне розвантаження на радіус .

Математичне моделювання заключалося в розбивці перетину на елементарних об'ємів з номерами та в послідуючому визначенні їх геометричних координат (рис.1):

; (1)

при ; (2)

при , (3)

де- шаг розбивки всього перетину по висоті.

Рис.1.- Розрахункова схема перетину штамповки в поперек

По мірі визначення координати радіусу виконується розрахунок показника степеню деформації розтягу-стиску для даного по висоті рівня:

, (4)

где ; - показники висхідної и результуюча

кривизни, позитивні значення котрих відповідають схемі навантаження;

7

Використовуючи в подальшому лінійну апроксимацію інтенсивності деформаційного зміцнення при холодній деформації ,а також експоненціальну залежність , при гарячому деформуванні введемо поняття залишкової ступіні деформації, визначену як:

, (5)

де - модуль пружності матеріалу деформованої заготовки.

Введемо також поняття напружень течі при розтягу та стиску , маючих по аналогії з напруженнями , відповідно, позитивні і негативні значення.

При цьому внаслідок наявності эфекта Баушингера , якісні оцінки вказаних напружень течі по абсолютній величині можуть суттєво розрізняються між собою. Получені аналітичні описи представлені в табл.1.

Таблиця 1

Аналітичні залежності для рекурентного визначення деформацій і напружень при правки гибкою титанових заготовок

Параметр Характер деформації

________ Пружнопластичний розтяг Пружна деформація Пружнопластичний стиск

; ; ; ;

; или . ; ; или

; ; ;

; ; ;

; ; ;

Представлені залежності (табл.1) в сполученні з організацією чисельного інтегрування:

; (6)

, (7)

8

склали повний алгоритм по автоматизованому розрахунку напружно-деформованого стану при реалізації процесу правки гибкою титанових заготовок з складною формою поперечного перетину. Відносну деформацію шару, відповідаючому координаті центра ваги розглядаємого перетину, маючого для ділянки пружно-пластичного навантаження і пружного чи пружнопластичного розвантаження , слідуючий вид:

(8)

(9)

(10)

(11)

де - модуль пружності матеріалу обробляємої заготовки;

- порядковий номер чергового циклу ітераційної процедури рішення;

- задане значення сили розтягу чи стиску.

Розподілення основних компонент напружно - деформованого стану приведено на рис.2.

а б

Рис.2. Розрахункове розподілення основних компонент напружно-деформованого стану при холодній гибці (а) та послідовного розвантаження

( б) титанової заготовки з складним профілем перетину

З аналізу представлених результатів є очевидним , що розподілення показників ступені деформації є близьким до лінійного. Розподілення ж показ-

9

ників залишкових деформацій і напружень , особливо після пружно -пластичного розвантаження мають більш складний характер.

Розроблено алгоритм автоматизованого проектування та відповідна програма на мові QBasic.

Проведений експеримент з гибки складного профілю з титану показав добре зівпадіння експериментальних значень кривизни профілю в залежності від прогину заготовки.

Крім того, розрахунки показали технологічну обмеженість правління при значній кривизні заготовки з титану, що веде до необхідності удосконалювання технологічного процесу штамповки.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ КОРОБЛЕННЯ

ШТАМПОВОК

Досліджено значення короблення штамповок типу коробок та панелей з використанням спеціального стенду. Отримані залежності відносного прогину від відносного вильоту штамповки.

Проведені попередні дослідження на моделях з пластичних матеріалів, з ціллю виявлення впливу виповнених в чорновому рівчаку компенсаційних виступів, а також хвилеподібного профілю днища на нерівномірність деформації при штамповці в чистовому рівчаку. Вони показали, що при штамповці в чорнову рівчаку немає суттєвих змін відносно традиційної технології в випадку штамповок типу коробки та панелі з виступом. В випадку штамповки в чистовому рівчаку виникає перекручування форми перетину, що свідчить о суттєвій зміні характеру деформування, а слідовно і зміні залишкових напруг в готовому виробі.

Ці дослідження дозволили спланувати проведення експериментів на титанових виробах. Для зрівняння результатів штамповка була виконана в остаточних штампах, використаних при традиційному технологічному процесі і в остаточних штампах з виконаними в чорнових рівчаках компенсаційними виступами. При цьому, були розроблені та використані штампи з чорновими рівчаками в таких варіантах:

в випадку панелей- штампування з порожниною під основним виступом, з доповнюючим виступом під основним, з виступами розташованими по обидва боки від основного;

в випадку коробок- штампування з виступами під вертикальною стінкою, с виступами розташованими усередині периметра першого чи зовнішнього виступів , в вигляді хвилевого профілю днища.

Дослідження проводились на молоті з енергією удару 630 кДж, при цьому штампувалися заготовки типу панелі з виступом- аналог кронштейн лівий та правий, та заготовки коробчатого типу- аналог повздовжня балка. Матеріал заготовок титановий сплав ВТ-22.Технологія виготовлення включала нагрів заготовки в печі до 960-20о С , штамповку в штампах з спеціально розробленими чор-

10

новими рівчаками і штамповку в чистових рівчаках при температурі 960-20 о С на штампувальному молоті.

На графіках (рис.3), представлене відносне короблення штамповок типу панелей з виступами при традиційному технологічному процесі, рівень допустимого відносного короблення показано лінією 7. З аналізу графіків слідує, що перевищення допустимого рівня є на ділянках та і складає від 63% до 110% для вузької частини, та від 3% до 18% для широкої частини.

Рис.3. Залежність відносного короблення від відносного вильоту штамповки типу панелі при традиційному технологічному процесі:

1- відносне короблення вузької частини лицьової сторони штамповки;

2- відносне короблення середини вузької частини штамповки;

3- відносне короблення вузької частини тильної сторони штамповки;

4- відносне короблення широкої частини лицьової сторони штамповки;

5- відносне короблення середини широкої частини штамповки;

6- відносне короблення широкої частини тильної сторони штамповки;

7- рівень допустимого відносного короблення.

Встановлено, що для штамповок типу панелей з виступами найбільш ефективним варіантом є розташування компенсаційних виступів по обидва боки від основного. При цьому, зменшення короблення від припустимого рівня спостерігається на ділянках при виповненні компенсаційних виступів по мінімальним розмірам та , по середнім значенням

11

та , по максимальним розмірам та . Воно відповідно кожному діапазону розмі-

рів складає: від 2% до 26%; від 4,1% до 23%; від 6,8% до 25,9% для вузької частини, та від 57% до 66%; від 61 до 69%; та від 61% до 71% для широкої частини, рис.4.

Рис.4. Залежність відносного короблення від відносного вильоту штамповки типу панелі при виповнені компенсаційних виступів по максимальним розмірам по обидві боки від основного:

7- відносне короблення вузької частини лицьової сторони штамповки;

8- відносне короблення середини вузької частини штамповки;

9- відносне короблення вузької частини тильної сторони штамповки;

10- відносне короблення широкої частини лицьової сторони штамповки;

11- відносне короблення середини широкої частини штамповки;

12- відносне короблення широкої частини тильної сторони штамповки;

7- рівень допустимого відносного короблення.

В випадку штампування заготовок типу коробок найбільш ефективний варіант при виповненні хвилеподібного профілю днища, при цьому для виповнення профілю хвилі по мінімальним розмірам та, по середнім , та по максимальним розмірам та . Зменшення короблення відбувається від 44,5% до 54%; від 48,6% до 56,8%; від 42% до 54% для широкої частини та від 44% до 49% ; від 48% до 52%; від 42,3% до 46,4% для вузької частини, рис.5.

12

Рис.5.Залежність відносного короблення від відносного вильоту штамповки типу коробки при виповнені компенсаційних виступів по середнім розмірам в вигляді хвилеподібного профілю днища:

1-відносне короблення вузької частини лицьової сторони штамповки;

2-відносне короблення середини вузької частини штамповки;

3-відносне короблення вузької частини тильної сторони штамповки;

4-відносне короблення широкої частини лицьової сторони штамповки;

5-відносне короблення середини широкої частини штамповки;

6-відносне короблення широкої частини тильної сторони штамповки;

7- рівень допустимого відносного короблення.

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ОДЕРЖАННЯ

ШТАМПОВОК З ТИТАНОВИХ СПЛАВІВ

СКЛАДНОПРОФІЛЬНОЇ КОНФІГУРАЦІЇ

Удосконалена технологія виготовлення штамповок типу кронштейн правий та кронштейн лівий , включаюча нагрів заготовки в електропечі до температури 960-20 о С терміном 85 хвилин, штампування в розроблених нових

чорнових рівчаках штампа на молоті з масою падаючих частин 23 т, обрізку

облоя. Далі слідує попередній підігрів то тієї ж температури та штампування в чистовому рівчаку штампа. Після чого провидиться гаряча правка штамповок відповідно до розроблених рекомендацій.

Удосконалено також технологію виготовлення штамповок типу повздовжня балка, яка включає нагрів до температури 960-20 оС терміном 55 хвилин. Потім слідує штамповка в розробленому чорновому рівчаку штампу на молоті з вагою падаючих частин 23 т, і далі штамповку в чистовому рівчаку штампу. Після цього також проводиться гаряча правка штамповки відповідно до розроблених рекомендацій.

Проведений аналіз мікро та макроструктури та механічні випробування виготовлених штамповок показали, що метал не має дефектів та відхилень від необхідних вимог.

13

Розроблено методику вибору конструктивних елементів чорнового рівчаку штампу для двох типів штамповок, типу панелей та типу коробок.

Розроблену методику застосовано для удосконалювання технологічних процесів виготовлення слідуючих штамповок, які використовуються в аерокосмічній галузі: балка зовнішня, балка комбінована , балка перехідна, кронштейн нижній, рельс, коренева частина лонжерона, балка опорна, панель, з сплавів ВТ22, ВТ20. Приводимо приклад розроблених чорнових рівчаків штампу, рис.6.

Рис.6. Перетин чорнового рівчака штампу

ВИСНОВКИ

У дійсній роботі приведені науково-обгрунтовані технологічні розробки, спрямовані на удосконалювання сучасного заготівельного виробництва, зокрема підвищення показників якості виготовлення штампувань з титанових сплавів типу ВТ 22 просторової конфігурації на основі розробки математичної моделі, програмних засобів і практичних рекомендацій з удосконалювання штампів і технологічних режимів процесу.

Виконання даного дослідження дозволило вирішити поставлені задачі, а саме:

1. Розвинено модель виправлення заготовок з титану, заснована на теорії пружно-пластичного вигину. В основу математичної моделі напружно - деформованого стану процесів правки гибкою складнопрофільних титанових виробів

було покладене чисельне рекурентне рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділених елементарних поперечних перетинів заготовки.

2. Розроблено алгоритм автоматизованого проектування технологічних режимів правки гибкою заготовок з складною конфігурацією форми поперечного перетину. Проведені експериментальні дослідження підтвердили достовір-

ність розвинутої моделі. Це дозволило більш ефективно виявити діапазон виправлення штампувань.

3. Експериментальні дослідження на пластичних зразках показали, що при штампуванні моделі коробчатого типу і типу панелі з виступом з попередньо сформованими компенсаційними виступами різноманітного виду показують, що використання різних форм компенсаційних виступів може бути застосоване для досліджень на натурних зразках з метою зміни напрямку течі металу

14

і перерозподілу залишкових напруг при штампуванні й одержання рекомендацій, що дозволяють знизити короблення заготовок.

4. При проведенні експериментальних досліджень з натурними зразками з титанових сплавів типу ВТ22 установлено, що найбільш ефективний технологічний варіант, що приводить до найбільшого зниження прогину штампування, це виконання компенсаційних виступів, для штампувань типу панелі з виступом, розташованих по обидві сторони від основного. При цьому зменшення короблення від рівня, що допускається спостерігається на ділянках: по мінімально допустимим розмірам і ; по середнім значенням розмірів и ; по максимально допустимим розмірам, і . Відповідно кожному діапазону складає: від 2% до 26%; від 4,1% до 23%; від 6,8% до 25,9% для вузької частини штампування і від 57% до 66%; від 61% до 69%; від 61% до 71% для широкої частини.

При проведенні досліджень з зразками з титанових сплавів типу ВТ22 установлено, що у випадку штампувань типу коробка кращий варіант, що приводить до найбільшого зниження вигину, при виконанні компенсаційних виступів у виді хвилеподібному профілю днища. При цьому зменшення короблення від рівня, що допускається для кожного діапазону розмірів компенсаційних виступів спостерігається на ділянках: по мінімально припустимим розмірам и; по середнім значенням розмірів, и ; по максимально припустимим розмірам , и . Відповідно кожному діапазону складає: від 44,5% до 54%; від 48,6% до 56,8%; від 42% до 54% для широкої частини штампування, від 44% до 49%; від 48% до 52%; від 42,3% до 46,4% для вузької її частини.

5. Розроблено практичні рекомендації з вибору режимів деформування й основних геометричних характеристик оснащення, що дозволяє спроектувати удосконалений технологічний процес для одержання виробів з високолегованих a+b титанових сплавів для штамповок типу панелей з ребрами та виступами різної висоти і конфігурації, напівфабрикатів коробчатого типу, що представляють собою як одиничну коробчату порожнину, так і складається з декількох зчленованих областей, орієнтованих визначеним чином у просторі.

При цьому отримано удосконалений технологічний процес виготовлення

штампувань типу панелей з виступами (з титанового сплаву ВТ-22, кронштейн

лівий і правий) з габаритами 126ґ969ґ164 мм, що дозволяє знизити короблення, спільно з гарячим виправленням штампування , вибравши величину прогину шляхом автоматизованого розрахунку, знизити короблення по торцям заготовки на 65...75%.

Удосконалено технологічний процес одержання штампувань коробчатого типу (з титанового сплаву ВТ-22, подовжня балка) з габаритами 134х644х45 мм, що дозволяє знизити короблення, разом з гарячим виправленням штампування,

15

вибравши величину прогину шляхом автоматизованого розрахунку, знизити короблення по торцям заготовки на 70...80 %.

6. Результати досліджень підтвердили проведене штампування ряду виробів просторової конфігурації: балка зовнішня, балка комбінована, балка перехідна, кронштейн нижній, рейка, коренева частина лонжерона, балка опорна, балка, панель з використанням розроблених рекомендацій, при цьому короблення знаходилося в межах допуску, що підтверджує правильність рішення задачі.

7. Удосконалені технологічні процеси й оснащення впроваджені у виробництво при одержанні штампувань кронштейн лівий і правий, подовжня балка і ряду виробів аерокосмічного призначення на Верхнє-Салдинському металургійному виробничому об'єднанні, а також при одержанні ряду виробів на ЗАТ “ВУК-ОЙЛ”.

СПИСОК ОПУЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Маковецкий В.В., Бражник В.Я. Снижение остаточных деформаций при короблении пространственных конструкций за счет оптимизации формы исходной заготовки // Совершенствование процессов и машин обработки металлов давлением. Сб. научн. тр. - К.: УМК ВО. 1988. - С.46-48.

2.Ефимов В.Н.. Маковецкий В.В., Пятибратов В.Н. Повышение качества штамповки тонкостенных полуфабрикатов // Кузнечно-штамповочное производство.-М.: Машиностроение. - 1990. -№4.- С.7-8.

3.Ефимов В.Н., Маковецкий В.В., Суров Е.П. Технологические особенности штамповки тонкостенных полуфабрикатов // Разработка и исследование высокоэффективных технологических процессов, оснастки и оборудования. Обработка металлов давлением. Сб. научн. тр. - К.: УМК ВО. 1990. - С.60-64.

4. Маковецкий А.В., Маковецкий В.В. Получение заготовок из титановых сплавов с использованием управления режимами и специальной оснастки // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. -2000. -С.46-48.

5.Маковецкий В.В, Соколов Л.Н. Технологические приемы получения поковок типа панели с выступом // Удосконалення процесів та обладнання

обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2001. - С.236-239.

6 Маковецкий В.В. Соколов Л.Н. Усовершенствованная технология получения штамповок типа коробок // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні. Зб. наук. пр. - Луганськ: СНУ. -2001. - С.74-77.

7. Соколов Л.Н., Маковецкий В.В. Исследование заготовок типа коробок с предварительными компенсационными выступами // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2002. - С.305-309.

8. Маковецкий В.В., Завгородний Д.В. Исследование напряженно-деформированного состояния при правке штамповок из титановых сплавов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і

16

машинобудуванні. Зб. наук. пр. - Краматорськ-Хмельницький: - ДДМА. -2002.- С.139-142.

9. А.с. 1697965 СССР, МКИ В21 J 5/00, 5/12. Способ изготовления поковок панелей с выступами / В.Н. Ефимов, В.В.Маковецкий, В.К.Катая, В.Н.Пятибратов, Е.П.Суров, А.С. Перебейнос. Заявка №4689247/27. Заявл. 10.05.89. Опубл. Бюл.№46, 1991.С.54.

10. А.с. 1789317 СССР, МКИ В21 J 5/00, 5/12. Способ изготовления поковок типа панелей с разносторонне расположенными выступами / В.Н. Ефимов, В.В.Маковецкий, Е.П.Суров, А.С.Перебейнос, В.П.Оськин. Заявка № 4689247/27. Заявл. 3.05.90. Опубл. Бюл.№3, 1993.С.34.

11. А.с. 1819728 СССР, МКИ В21 K 5/00, 1/76. Способ получения изделий с дном и замкнутыми по периметру стенками / В.В.Маковецкий, В.Н. Ефимов, А.В.Маковецкий, Е.П.Суров. Заявка № 4921863/27. Заявл. 25.03.91. Опубл. Бюл.№21, 1993.С.38.

12. Маковецкий В.В. Экспериментальные исследования на моделях из пластичного материала процесса штамповки полуфабрикатов с удлиненной осью // Деп. в УкрНИИНТИ. №193 - Ук 90, 1990. - 14 с.

13. Ефимов В.Н., Маковецкий В.В., Спиридонов И.В. Коробление оребренных штампованных полуфабрикатов // Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий повышающих долговечность деталей машин: Тр. науч.техн. конф.- Волгоград: 1989. -С.138-139.

14. Маковецкий В.В., Тихий В.В. Особенности штамповки несимметричных и осесимметричных тонкостенных заготовок из титановых сплавов // Прогрессивные технологии, оборудование и организация заготовительного производства. Тез. докладов конференции. – Киев: 1990. -С.21-22.

15. Маковецкий В.В., Маковецкий А.В. Получение полуфабрикатов типа коробок и панелей из титановых сплавов // Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства. Тез. докладов межвузовской научно-технической конференции. - Краматорск: ДГМА. - 1996. -С.33-34.

Особистий внесок автора в роботах, надрукованих в співавторстві:

[1,3,9,14,15] - розроблено технологічні схеми та прийоми, запропоновано методика удосконалювання технологічних процесів;

[2,4,5,6,7,13] - поставлено експерименти, проведено дослідження і оброблено результати, удосконалено технологічні процеси;

[9,10,11] – запропоновано попереднє деформування с формоутворенням основних та компенсаційних виступів, розташування виступів, розробка технологічної схеми формоутворення з хвилеподібними наборами металу;

[8] - розвинено математичну модель напружно - деформованого стану, виконано її чисельну реалізацію.

[9,10,11] – запропоновано попереднє деформування з формоутворенням і розташування компенсаційних виступів.

17

АНОТАЦІЯ

Маковецький В.В. Удосконалювання технологій і оснащення для гарячого штампування просторових тонкостінних конструкцій з титанових сплавів з підвищеною точністю геометричних характеристик.-Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з фаху 05.03.05- Процеси та машини обробки тиском - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2002 р.

Дисертація присвячена розробці технологій штампування просторових тонкостінних конструкцій з сплавів типу ВТ22, ВТ20, що істотно знижують короблення заготовок.

Виконано теоретичні дослідження напружно -деформованого стану правки гибкою титанових заготовок. Розвинено математичну модель правки і її чисельну реалізацію, що дозволяє задати прогин у залежності від кривизни заготовки.

Описано результати досліджень зразків з пластичних матеріалів, проведених з метою виявлення можливого типу компенсаційних виступів у чорновому рівчаку.

Проведено дослідження короблення штампувань з компенсаційними виступами виконаними у чорновому рівчаку штампу. Дослідження проводилися на виробах типу панелей та коробок.

Приведено методику визначення геометричних характеристик компенсаційних виступів чорнового рівчака штампа.

У якості використання удосконаленої технології вона була застосована для штампування ряду заготовок з сплавів ВТ22, ВТ20 використаних в аерокосмічній промисловості.

Ключові слова: штампування, титанові сплави, якість, технології, правка гибкою, напружно-деформований стан, чорнові рівчаки, удосконалювання.

АННОТАЦИЯ

Маковецкий В.В. Совершенствование технологий и оснастки для горячей штамповки пространственных тонкостенных конструкций из титановых сплавов с повышенной точностью геометрических характеристик.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05- Процессы и машины обработки давлением - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2002 г.

Диссертация посвящена совершенствованию технологий и разработке оснастки для горячей штамповки пространственных тонкостенных конструкций из титановых сплавов типа ВТ22, ВТ 20, существенно снижающих коробление заготовок.

В работе приведен анализ исследования коробления поковок, в том числе из титановых сплавов. Описаны основные существующие технологические приемы устранения коробления, такие как заневоливание, управление термоме-

18

ханическими режимами процесса, правка, а также изотермическая штамповка.

Однако эти методы имеют ряд недостатков, которые не позволяют устранить коробление при штамповке заготовок, что приводит к увеличению себестоимости поковок. Рассмотрены основные положения теории остаточных деформаций. На основании приведенного анализа работ сделан вывод, что существуют решения узких технологических задач, которые имеют ограниченную область применения. Решение вопросов устранения коробления, а также исследования коробления штамповок является актуальной задачей.

Выполнены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния процесса правки гибкой титановых заготовок различного профиля. Реализованное численное математическое моделирование процесса правки гибкой титановых заготовок со сложной формой поперечного сечения основывается на численном рекуррентном решении конечно-разностной формы условия статического равновесия элементарных поперечных сечений заготовки. Разработан алгоритм автоматизированного проектирования и соответствующая программа на языке QBasic. Численная реализация математической модели позволяет задать прогиб в зависимости от кривизны заготовки. Проведенные эксперименты по гибке сложного профиля из титана показали хорошее совпадение экспериментальных значений кривизны профиля в зависимости от прогиба заготовки. Кроме того, расчеты показали технологическую ограниченность правки при значительной кривизне заготовки из титана, что требует необходимого усовершенствования технологического процесса штамповки.

Исследовано коробление штамповки типа коробок и панелей с использованием специального стенда. Получены зависимости относительного прогиба от относительного вылета штамповки.

Проведены предварительные исследования на моделях из пластичных материалов с целью выявления влияния выполненных в черновом ручье компенсационных выступов, а также волнообразного профиля днища на неравномерность деформации при штамповке в чистовом ручье. Результаты исследования свидетельствуют о значительном изменении характера деформирования, а следовательно изменении остаточных напряжений в готовом изделии.

Эти исследования позволили спланировать проведение экспериментов на титановых заготовках. При этом были разработаны и использованы штампы с черновыми ручьями в таких вариантах:

· в случае панелей - штамповка с полостью под основным выступом, с дополнительным выступом под основным, с выступами расположенными по обе стороны от основного;

· в случае коробок - штамповка с выступами под вертикальной стенкой, с выступами расположенными внутри периметра первого или внешнего выступов, в виде волнообразного профиля днища.

Установлено, что для штамповок типа панелей с выступами наиболее эффективный вариант при расположении компенсационных выступов по обе сто-

19

роны от основного. В случае штамповки заготовок типа коробок наиболее эффективный вариант при выполнении волнообразного профиля днища.

Была усовершенствована технология изготовления штамповок типа кронштейн правый, кронштейн левый и продольная балка, которая включает штамповку в разработанных черновых ручьях штампа на молоте с массой падающих частей 23 т, и далее штамповку в чистовых ручьях штампа. После чего проводится горячая правка штамповок, в соответствии с разработанными рекомендациями.

Разработана методика определения геометрических характеристик компенсационных выступов чернового ручья штампа. Предложенная методика применена для разработки технологических процессов следующих штамповок: балка внешняя, балка комбинированная, балка переходная, кронштейн нижний, рельс, корневая часть лонжерона, балка опорная, панель, из сплавов ВТ22, ВТ20 ,используемых в аэрокосмической промышленности.

Технологический процесс изготовления штамповок типа панелей с выступами позволяет снизить коробление, совместно с горячей правкой штамповки, выбрав путем автоматизированного расчета величину прогиба, по торцам заготовки на 65..75%, а коробчатого типа по торцам заготовки на 70…80%.

Результаты исследований подтвердила проведенная штамповка ряда изделий используемых в аэрокосмической промышленности с использованием разработанных рекомендаций, при этом коробление находилось в пределах допуска, что подтверждает правильность решения задачи.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, позволившие разработать новую штамповую оснастку дали возможность усовершенствовать способы штамповки изделий аэрокосмического назначения, на которые были получены авторские свидетельства и приняты к внедрению на Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении.

Ключевые слова: штамповка, титановые сплавы, качество, технологии, правка гибкой, напряженно-деформированное состояние, черновые ручьи, совершенствование.

THE SUMMARY

Makovetsky V.V. Perfecting of technologies and equipment for hot volumetric punching of thin-walled space constructions from titanium of alloys with an increased exactitude of geometric performances.- Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science from a speciality 05.03.05- Processes and machines of processing by pressure - Donbass state machine-building academy, Kramatorsk, 2002.

The thesis is devoted to development of technologies of punching of thin-walled space constructions from alloys such as VТ22, VТ20, bars, much reducing a warping.

The theoretical researches is intense - is deformed statuses of editing floppy titanium of bars are executed. The mathematical model and it numerical realization on

20

computer, permitting is developed to set buckling depending on a curvature of bar.

The outcomes of researches of determination are circumscribed is exemplar from elastic of materials conducted with the purpose of revealing of a possible type of compensatory ledges in blocking impression.

The researches of a warping of forging with compensatory ledges executed in blocking impression of a stamp. The researches were conducted on the representatives of items such as boards and boxes.

The technique of definition geometric of performances of compensatory ledges blocking impression of a stamp is indicated.

As use of the developed technology she was applied for punching bars

from alloys VТ22, VТ20 used in the space industry.

Keywords: forging, titanium alloys, quality, technology editing floppy, is intense - is deformed a status, blocking impression, perfecting.

_____________________________________________________________

Підп. до друку 16.12.02 Формат 60*90 1/16 Друк

Ум.друк.арк.-1,34 Тираж 100 прим. Замовлення №495

____________________________________________________________________________

Друкарня ДДМА

84313, м.Краматорськ, вул.Шкадінова, 72