Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського“

Харківський авіаційний інститут”

Антоненко Олександр Анатолійович

УДК 621.7.044

ДОСЛІДЖЕННЯ І РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ

ФОРМУВАННЯ ТА КАЛІБРУВАННЯ ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ

ЛИСТОВИХ ДЕТАЛЕЙ ЛІТАКІВ

НА ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНИХ УСТАНОВКАХ З

БАГАТОЕЛЕКТРОДНИМИ РОЗРЯДНИМИ БЛОКАМИ

Спеціальність 05.07.04 –

"Технологія виробництва літальних апаратів"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України та ВАТ “Вовчанський агрегатний завод” Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Борисевич

Володимир Карпович, директор Міжнародного

науково-дослідного інституту нових технологій

і матеріалів “ХАІ” (м. Харків).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бабушкін

Анатолій Іванович, завідуючий кафедрою

Національного аерокосмічного університету

ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків);

кандидат технічних наук Савченко Микола

Федорович, доцент Національного

економічного університету (м. Харків).

Провідна установа: Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України.

Захист відбудеться “13” лютого 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070,

м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Автореферат розісланий 05.01.2004р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, професор Г.Л.Корнілов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В цей час до конструкцій виробів різних галузей машинобудування, особливо в літакобудуванні, ставляться підвищені вимоги щодо надійності всіх їх елементів при забезпеченні мінімальної маси. При цьому особливо актуальною є загальна проблема – ресурсозбереження.

У конструкціях літаків, згідно зі статистичними даними, до18 % номенклатури листових деталей – великогабаритні деталі (як правило, зварені), що виготовляють за допомогою технологічних операцій формування та калібрування. При цьому великогабаритні панелі жорсткості складають 6…11 % номенклатури листових деталей, рифлені коробки – 3…4 %. Більшість із них – деталі невеликої висоти, плоскі, одинарної чи подвійної кривизни зі складним рельєфом поверхні, утвореним виштамповками, виготовленими окремо, а потім привареними. Це великогабаритні жорсткості, окантовки, фланці, гофри. Подібні конструктивні елементи широко поширені також в транспортному, хімічному і деяких інших галузях машинобудування.

Формуванню і калібруванню таких деталей традиційними способами властиві експлуатаційні й технологічні утруднення, значні витрати енергії, матеріальних ресурсів і часу на ТПП, особливо при одиничному і дрібносерійному видах виробництва. Трудомісткість штампування панелі жорсткості розмірами близько 1м складає 39,6 хв, а рифленої коробки - 21,6 хв.

Імпульсні способи штампування, що характеризуються високою технологічною гнучкістю і не потребують унікального устаткування для виготовлення великогабаритних виробів, позбавлені багатьох із перерахованих недоліків. Із них найбільш високі експлуатаційні характеристики мають способи електрогідравлічного штампування (ЕГШ) на установках із багатоелектродними розрядними блоками (БРБ), що максимально відповідають умовам виготовлення невисоких великогабаритних деталей зі складним рельєфом поверхні. Однак дотепер мало вивчені закономірності реалізованих на них процесів, є відсутнім строге наукове обґрунтування методики проектування технологічних процесів формування та калібрування, що не дозволяє використовувати високі потенційні технологічні можливості цих установок.

Таким чином, дослідження можливостей і розробка технологічних процесів формування та калібрування великогабаритних листових деталей літаків на установках ЕГШ із БРБ є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в МІНТ "ХАІ" відповідно до державних науково-технічних програм України:

- “Імпульсні ресурсозберігаючі технології й устаткування для підвищення службових характеристик виробів для машинобудування і ВПК України” – 1994 –1999 рр. із продовженням у 2001–2002 рр., № ДР 0100U002186;

- “Розробка критичних імпульсних технологій виготовлення нових матеріалів і деталей машинобудування з листових заготовок, орієнтованих на конверсійні можливості України” – 2000р, № ДР 0198U001596;

- Державна програма Міносвіти і науки України “Розробка технологічних процесів і устаткування для імпульсного штампування листових виробів при виробництві двигунів авіаційної і космічної техніки” – 2000 – 2002рр., № ДР 0100U002189.

Матеріали роботи використовувалися також при виконанні господарських договорів з різними підприємствами країни для впровадження.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення і впровадження в аерокосмічне виробництво, а також в інші галузі промисловості науково обґрунтованих технологій електрогідравлічного формування та калібрування великогабаритних листових деталей авіаційних конструкцій зі складним рельєфом поверхні, що забезпечують скорочення ресурсоспоживання при виробництві виробів, зниження термінів і витрат на технологічну підготовку виробництва і підвищення якості.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. На основі аналізу номенклатури листових деталей літаків визначити групи деталей, виготовлення яких потребує витрат ресурсів і підвищення їх якості. З урахуванням попередніх досліджень установити можливості і способи поліпшення цих показників завдяки використанню багатоелектродних розрядних блоків на електрогідравлічних установках.

2. Дослідити й експериментально визначити характер і параметри навантаження, створюваного при ЕГ- розряді в умовах БРБ, вплив параметрів організації робочої зони на полі навантаження заготовки, ефективність перетворення енергії навантаження на роботу пластичної деформації при формуванні та калібруванні для їх теоретичного аналізу й узагальнення.

3. Описати процеси навантаження й деформування заготовки при формуванні та калібруванні деталей літаків і двигунів і створити методики розрахунку необхідних технологічних параметрів.

4. Спроектувати технологічні процеси формування та калібрування типових промислових виробів і виконати їхнє досвідне відпрацьовування; провести оцінку адекватності розроблених моделей і коректності запропонованих методик.

5. Оцінити техніко-економічну ефективність розроблених технологічних процесів. Розробити рекомендації щодо практичного використання результатів дослідження.

Об'єктом дослідження є процеси ЕГШ великогабаритних листових деталей літаків зі складним рельєфом поверхні з авіаційних матеріалів.

Предметом досліджень є методи розрахунку технологічних параметрів і розробка технологічних процесів формування та калібрування великогабаритних листових деталей літаків на електрогідравлічних установках із БРБ.

Методи дослідження. Дослідження слід проводити на основі методу системного аналізу сукупності конструктивних характеристик деталей, а також фізичних закономірностей явищ, що спостерігаються при імпульсному навантаженні. При експериментальних дослідженнях необхідно використовувати сучасні інструментальні методи реєстрації швидкоплинних процесів. Для узагальнення результатів експериментальних досліджень використовують сучасні методи статистичного аналізу, математичного моделювання, подібності й розмірностей.

Наукова новизна отриманих результатів :

- вперше розроблено основи технологічного проектування процесів формування та калібрування на установках ЕГШ із багатоелектродними розрядними блоками;

- вперше одержано теоретико-експериментальні залежності для визначення ККД процесу штампування великогабаритних листових заготовок в умовах групового ЕГ- розряду в БРБ;

- вперше визначено та формалізовано залежності, що описують зміну параметрів поля навантаження заготовки енергосиловими факторами розряду при зміні геометричних параметрів робочої зони БРБ;

- розроблено й обґрунтовано показники і методи розрахунку полів навантаження заготовки груповим розрядом у БРБ ЕГ-установок для малоінерційних та інерційних процесів при штампуванні великогабаритних листових деталей.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено технологічні процеси виготовлення ряду великогабаритних листових деталей авіаційної техніки зі складним рельєфом поверхні на електрогідравлічних установках із багатоелектродними розрядними блоками;

- розроблено загальні практичні рекомендації для ефективного використання установок ЕГШ із БРБ для штампування великогабаритних деталей з різних матеріалів;

- розроблено методи розрахунку і рекомендації для виробництва, що дають можливість автоматизувати проектування технологічних процесів.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації особисто:

- розроблено математичні моделі процесів навантаження заготовок для формування та калібрування великогабаритних листових деталей;

- сформульовано задачі дослідження, обґрунтовано вибір методів дослідження і способів визначення основних технологічних параметрів;

- розроблено загальну методику проведення експериментальних досліджень, методи аналізу і представлення отриманих результатів;

- проведено аналіз умов енергопередачі і створено методику визначення ККД процесу формування залежно від геометричних і механічних параметрів заготовки й особливостей проведення процесу;

- здійснено оцінку техніко-економічної ефективності розроблених технологічних процесів;

- сформульовано загальні висновки і практичні рекомендації.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на всеукраїнській науковій конференції "Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії" (квітень 2000р., м. Краматорськ), на міжнародній науково-технічній конференції "Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії"(лютий 2002р., м. Краматорськ), на науково-технічних семінарах Міжнародного інституту нових технологій (МІНТ “ХАІ”), на науково-технічних конференціях Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського "ХАІ" у 2000–2003рр., а також НТР кафедри виробництва авіадвигунів у 2003р.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 5 друкованих праці в збірках наукових праць, що входять до переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів і основних висновків. Текст дисертації складає 206 сторінок, містить 97 ілюстрацій, 31 таблицю; список літературних джерел з 111 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко викладено стан проблеми в цей час й актуальність дослідження, сформульовано мету і задачі дисертації, наукову новизну, практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію роботи, публікації, структуру й обсяги дисертації.

У першому розділі показано, що в даний час у конструкціях планера літаків і вертольотів широко використовують тонколистові панелі жорсткості одинарної й подвійної кривизни, різного типу кришки агрегатів та інші деталі, що мають складний рельєф поверхні. Габаритні розміри таких деталей найчастіше перевищують технологічні можливості існуючого устаткування за припустимими розмірами чи заготовки – за рівнем діючого навантаження. Частково цим визначаються значна трудомісткість виготовлення таких деталей і великі терміни технологічної підготовки виробництва. Існуючі способи формозміни листових деталей за допомогою рідинних чи еластичних середовищ досить ресурсовитратні. Внаслідок технічних особливостей, властивих цим деталям, ускладнено одночасне деформування локальних елементів деталі по всій її поверхні, що призводить до необхідності багаторазового навантаження. Для зниження втрат часу потрібно рівномірне поле навантаження чи навантаження, погоджене з геометрією рельєфу всієї поверхні деталі. Такі можливості мають електрогідравлічні установки з багатоелектродними розрядними блоками.

Ці блоки являють собою систему 20 – 60 електродних пар спрямованої дії (ЕПСД), конструктивно виконані як єдиний вузол, що може здійснювати груповий розряд заданої кількості електродних пар (ЕП). Принципова схема організації робочої зони установки з БРБ показана на рис. 1.

Для розробки технологічних процесів формування та калібрування таких деталей необхідно оцінити критерії, що визначають можливість їхнього виготовлення, розробити методи розрахунку технологічних параметрів.

Показано, що існуючі методи розрахунку не задовольняють практичні вимоги проектування технологічних процесів в умовах керування полем навантаження. Через великі складності теоретичного опису таких процесів для досягнення поставленої мети доцільно використання експериментально - теоретичного методу. В результаті огляду зроблено висновки, поставлено мету і сформульовано задачі роботи.

Другий розділ присвячено опису експериментальних досліджень енергетичних і технологічних факторів процесів, характерних для розглянутих умов штампування.

Наведено розроблену методику експериментальних досліджень, виконаних на електрогідравлічній установці УЕГШ-2 у лабораторії МІНТ “ХАІ”. Зовнішнє імпульсне навантаження деформівної заготовки визначалося в межах поля навантаження (діаметром 500 мм) за допомогою багатомісних мембранних датчиків із діаметром формувальних отворів d = 6,12 і 36 мм. Тимчасові параметри імпульсів навантаження визначали за допомогою п'єзодатчиків, розташованих у п'ятьох точках поля навантаження, сигнали яких реєструвалися осцилографом. Енергію, що виділялася при ЕГ- розряді, оцінювали по осцилограмах, одержаних за методикою, розробленою в Московському енергетичному інституті: розрядну напругу – за допомогою високовольтного дільника напруги і розрядні струми – за допомогою повітряних трансформаторів (поясів Роговського).

При проведенні експериментів використовували листові заготовки з алюмінієвих сплавів АМг2М, АК4-1, Д16АМ товщиною 0,5...1…1,2 мм і сталі 08кп товщиною 0,6...1…1,0 мм. Їхні механічні властивості визначали за стандартною методикою (ДСТ 11701-84 і ДСТ 1497-73).

Варійовними параметрами багатоелектродних блоків були: відстань між робочою площиною розрядного блока і заготовкою Нз, глибина розташування торця електрода в розрядній порожнині hе (див. рис.1), а також орієнтація каналу розряду щодо осей заготовки.

Для базового енергетичного режиму з параметрами: напруга зарядження конденсаторів Uз=25кВ, напруга пробою міжелектродного проміжку U0 запасена енергія Аз=5,12 кДж (при положенні центрального електрода hе=95мм і робочому зазорі зони навантаження Нз=55 мм), отримано експонентну апроксимуючу залежність тиску в часі при розряді на одній електродній парі у вигляді:

Р = Рmе-t/, де Рm = 50 МПа і 26мкс. (1)

Ці дані при врахуванні умов генерування імпульсу тиску БРБ з точністю до 15% збігаються з розрахунковими, отриманими за відомими залежностями, що підтверджує можливість використання таких залежностей для розрахунку енергетичних параметрів технологічних процесів.

В експериментах з багатомісними мембранними датчиками основною вимірюваною величиною була глибина лунок h діаметром d виштампуваних на мембрані товщиною S. Загальна інтенсивність навантаження оцінювалася параметром, що відповідає еквівалентному статичному тиску

Рэ=16уbsh/(d2+h2) , (2)

де уb – гранична міцність матеріалу мембрани.

Розподіл навантаження на робоче поле оцінювали по прогинах багатомісної мембрани (заготовки) і будували карти полів навантаження, на які наносили ізолінії відносних величин навантаження. Характерні приклади таких карт еквівалентних тисків показано на рис. 2.

Встановлено, що при розряді на одній ЕП центр поля тиску (навантаження) зміщується на величину ? залежно від положення центрального електрода ЕП і відстані від БРБ до перешкоди . Визначено емпіричні залежності зсуву (з вірогідністю R2=0,98)

?|Hз=9.65 = – 0,0084h2е+1,2505hе–23,103; . ?|Hз=135 = – 0,0123h2е+1,9937hе–26,9, (3)

зокрема, визначено умови, коли зсув стосовно осі ЕПСВ ? = 0.

Експерименти показали, що розташування і форма ізобар на картах полів тиску, отриманих за допомогою датчиків з d = 6, 12 і 36 мм, дуже близькі. Зі збільшенням d лише трохи згладжується загальна конфігурація ізобар. Форма і розташування ізобар відбивають реальне положення джерел виділення енергії та силових факторів навантаження щодо перешкоди.

Досліджено ступінь сприйняття плоскою заготовкою імпульсного навантаження. Встановлено, що воно залежить від механічних властивостей матеріалу і геометричних параметрів, але зі зміною останніх змінюється не монотонно, а в деякому діапазоні їхніх значень спостерігаються різкі стрибки. Зроблено висновок про те, що залежно від цих параметрів в найпростішому випадку від відносної товщини = d/s має місце істотне розходження в механізмі сприйняття імпульсного навантаження перешкодою.

Зона різких змін (стрибків) експериментальних залежностей h = f(d) – прогинів мембран датчиків на одиничних осередках, отриманих при тих самих, базових, умовах навантаження і діапазонах геометричних параметрів перешкод, характерних для калібрування та формування, спостерігаються у всіх випробуваних матеріалів. Типовий графік такої залежності для матеріалу Д16АМ s=1мм показано на рис.3.

Показано, що ступінь сприйняття імпульсного навантаження деформованою перешкодою з початковою кривизною мало зале-жить від її кривизни при відносних радіусах кривизни R = R/s 10. Збільшення роботи деформації дослідних зразків, що послідовно деформуються імпульсними навантаженнями тих самих параметрів за однакових умов, для зазначених вище значень кривизни практично залишалися однаковими – у середньому їхнє зменшення не перевищило 30%. При цьому прогини зменшуються за залежністю, близькою до експонентної. Проведено статистичну обробку отриманих експериментальних залежностей ступеня деформування заготовки при одно - і багатоімпульсному навантаженні.

Третій розділ присвячений теоретичному аналізу, узагальненню і формалізації отриманих експериментальних даних, а також розробці методик розрахунку технологічних параметрів процесів штампування виробів зі складним рельєфом поверхні на установках ЕГШ із БРБ.

Описано особливості процесів взаємодії енергосилових факторів підводного іскрового розряду з перешкодою в умовах робочих зон БРБ. Встановлено, що характер цих процесів визначається головним чином відносними розмірами деформівних ділянок: для вісесиметричних - відносним діаметром =d/s, для невісесиметричних – відносною шириною =b/s.

Показано, що при значеннях відносного розміру деформівних ділянок заготовки і періодах частоти їхнього власного коливання реалізуються малоінерційні процеси, що віднесені до процесів калібрування. При цьому основним фактором навантаження, який визначає деформацію, є тиск ударної хвилі. У такому випадку значна частка енергії прямої ударної хвилі, що передається вільній ділянці заготовки і не відноситься хвилею відображення, витрачається на подолання сил опору пластичному деформуванню, що в результаті здійснюється з невисокою швидкістю. Приймають, що

і (4)

де m – питома (віднесена до одиниці поверхні) маса перешкоди, h - переміщення перешкоди, k(h) – функція, що відображає опір переміщенню (питома “жорсткість” деформівної ділянки).

Розрахунок енергетичних параметрів процесів калібрування ґрунтується на представленні узагальненого тиску імпульсу навантаження, еквівалентного статичному тиску, необхідного для деформування. Величина такого показника визначається параметрами взаємодіючих ударної хвилі та деформівної ділянки заготовки. Для визначення максимального еквівалентного тиску, створюваного при розряді на одній електродній парі БРБ, пропонується емпірична залежність, отримана методом регресивного аналізу експериментальних даних

Pmax1 = 15000 1,2 dпр 0,58 s–0,35 уb–0,2 Hз–1,72 (hэ+10)–0,55, (5)

де Pmax1, МПа, – обумовлений еквівалентний тиск; , кДж – енергія, що запасається; dпр, мм, – приведений діаметр деформуємої ділянки; s, мм, – товщина перешкоди; уb, МПа, – гранична міцність матеріалу перешкоди; Hз, мм, – робочий зазор у місці навантаження; hе, мм, – положення центрального електрода в порожнині ЕП.

При значеннях відносного розміру деформівних ділянок заготовки >10, після відміченого на експериментальних залежностях h = f(d) першого стрибка (розриву) і до ?80...100, має місце інерційний процес. При таких геометричних параметрах опором заготовки на матриці можна нехтувати і розглядати заготовку як пластину, що вільно переміщається і в момент початку кавітації набуває такої швидкісті переміщення, при якій відривається від поверхні передавального середовища й утворюється кавітаційна порожнина. Це перешкоджає випромінюванню хвилі розрідження заготовкою, яка швидко переміщується. Виявляється, що в ній зосереджено більша частка енергії ударної хвилі, ніж у випадку . Заготовка рухається по інерції внаслідок накопиченого запасу кінетичної енергії, витрачаючи її на роботу формозміни. Рівняння руху перешкоди набуває вигляду

, (6)

де с0 – щільність передавального середовища, с0 – швидкість звуку в ньому.

Виходячи з відомого рішення і вважаючи, що вся накопичена кінетична енергія перетвориться на роботу пластичного формоутворення для вісесиметричної лунки, можна одержати залежність

, (7)

де В,? – коефіцієнти кривої зміцнення матеріалу перешкоди; в= с0с0и/m – коефіцієнт інерційності перешкоди.

Ця залежність дозволила за відомими параметрами навантаження ударною хвилею, геометричними, фізичними та механічними властивостями і-ї круглої деформуємої ділянки перешкоди, визначити розрахункову глибину осесиметричної лунки. Розбіжність розрахункових та експериментальних значень прогинів склало не більше 20...30 %, що дозволяє використовувати теоретичні залежності для інженерних розрахунків.

Прийнято, що діапазон відносних діаметрів деформівних ділянок виробів , у яких згідно з експериментальними даними справедливі залежності (6), (7), і є діапазоном процесів формування.

Визначено, у вигляді ККД, що мають місце втрати енергії при її перетворенні від запасеної до витраченої на роботу пластичної деформації при формуванні. Повний коефіцієнт корисного використання розглядають як добуток трьох співмножників

зп= зк зг зн , (8)

де здо – коефіцієнт, що враховує втрати в розрядному контурі; зг – коефіцієнт, який враховує втрати в передавальному середовищі; зн – коефіцієнт, що враховує втрати, обумовлені обмеженістю ділянки потрібного навантаження в порівнянні з усім полем навантаження.

Для установок УЕГШ-2 і ПЕГ-ХАІ-500 встановлено межі зміни здо 0.8...0,9. Показано, що при формуванні

зг = зув зп ув за, (9)

де зув – коефіцієнт, що являє собою частку енергії розряду в ударній хвилі; зп ув- критерій частки енергії, яка навантажує заготовку до моменту початку кавітації; за - акустичний коефіцієнт корисного використання енергії.

Значення зув=0.4...0,5і за = 0,85...1…1,0 одержують за відомими з літературних джерел залежностями, підтвердженими безпосередніми вимірами.

Запропоновано експериментальний критерій

, (10)

де wпл – питома робота пластичної деформації; аув – питома енергія ударної хвилі. Порівняння його з теоретичним значенням критерію ( ), характерного для інерційних процесів істотно залежного від параметрів матеріалу перешкоди, показало їхню достатню відповідність – розбіжність 15...25 % (рис. 4). Це дозволяє рекомендувати використовувати останнє при проектуванні технологічних процесів.

Коефіцієнт навантаження визначиться як добуток двох величин:

зн= знр знк (11)

де знр – критерій, що являє собою відношення енергії навантаження робочої площі робочої зони до всієї енергії ударної хвилі; знк – критерій, який враховує той факт, що використовується навантаження тільки площі, обмеженої контуром деформівної ділянки.

Запропоновано методи розрахунку розподілу еквівалентного тиску і питомої енергії ударних хвиль по поверхні навантаження робочої зони БРБ залежно від числа і розташування активних ЕП і розташування центральних електродів і робочого зазору зони.

Описано основні методичні положення проектування технологічних процесів формування та калібрування тонколистових великогабаритних деталей, основані на даних проведеного аналізу процесів. При цьому передбачається використання комп'ютерних програм, створених на базі таких даних.

У четвертому розділі показано конкретне застосування розроблених методів для проектування технологічних процесів формування та калібрування великогабаритних тонколистових деталей зі складним рельєфом поверхні. Як зразок розглянуто особливості організації робочої зони установки ПЕГ-ХАІ-500 і відповідні вимоги до конструкції оснащення. Відзначено можливість застосування литої оснастки з матеріалів, які мають достатню твердість і малий коефіцієнт температурної усадки, яке легко переплавляється.

Розглянуто основні етапи проектування техпроцесів для формуванні:

- аналіз параметрів елементів, які підлягають формуванню (показано, що всю різноманітність елементів формувального рельєфу можна звести до трьох типових: уступів (підсікань); пазів (рифтів) і локальних виштамповок (лунок) з обмеженим відношенням довжини до ширини);

- розрахунок потрібних питомих робіт пластичного формоутворення елементів рельєфу (у наведених прикладах передбачається плоский деформований стан), найбільша потрібна деформація (е1)п, інтенсивність деформацій (еі)п, інтенсивність потрібних робіт деформації wi і потрібна питома робота деформації (wпл)піт, визначають за формулами

(еі)п=ln(lк/l0)=|ln(F0/F)|; (еі)п=1,15(еі)п; ; (wпл)піт =wi Чs, (12)

де l0, lк – початкова і кінцева ширина довгого рифта, F0,F- початкова і кінцева площі деформівної ділянки заготовки;

- визначення з умови мінімальних радіусів кривизни ділянок рельєфу, що можна одержати формуванням;

- призначення основних параметрів робочої зони, вибір місця розташування заготовки відносно БРБ і числа активних ЕП;

- розрахунок і побудова карти поля навантаження робочої зони енергією ударних хвиль групового розряду БРБ (необхідно, щоб ізолінії відповідали рівням відносної питомої енергії навантаження - відношенню енергії навантаження в даній точці поля до максимальної питомої енергії навантаження одиничної ЕП);

- призначення з економічних, технологічних та інших точок зору енергетичного режиму навантаження (Аз, Uз), що забезпечує можливість пластичного деформування заготовки;

- визначення потрібної сумарної відносної енергії навантаження для формоутворення характерних, насамперед таких, що потребують найбільшого навантаження, ділянок заготовки: ;

- визначення числа потрібних імпульсів навантаження, як максимального для всіх характерних ділянок числа .

Наведено приклади проектування процесів формування панелі теплообмінника з матеріалу 12Х18Н9Т s=1,2мм і панелі жорсткості. Карту розрахункового поля навантаження енергією ударних хвиль групового розряду 24 ЭП БРБ при формуванні панелі теплообмінника показано на рис.5.

Етапи проектування процесів калібрування:

- визначення потрібного еквівалентного тиску Рэ піт для характерних ділянок калібрування;

- призначення основних параметрів робочої зони, вибір місця розташування заготовки відносно БРБ і числа активних ЕП;

- розрахунок і побудова карти поля навантаження робочої зони відносним еквівалентним тиском групового розряду БРБ:

- визначення за картою навантаження розрахункових потрібних еквівалентних тисків Рпот розрах = Ре пит / для характерних ділянок калібрування і

(Рпот розрах)max;

-

(13)

Наведено приклади проектування процесів калібрування деталей і результати дослідно-промислових техпроцесів штампування на багатоконтурному пресі ПЕГ-ХАІ-500.

Проведено техніко-економічну оцінку розроблених технологічних процесів на основі методики комплексного показника якості. Для цього вибрали ряд альтернативних технологічних процесів: штампування на механічних пресах рідиною високого тиску і вибухового штампування бризантними вибуховими речовинами. За рядом показників (12 шт.) на основі незалежних експертних оцінок для цих процесів встановлювали оцінки рівня якості. Після їхньої статистичної обробки отриманий комплексний показник якості розроблених техпроцесів перевищує аналогічні показники альтернативних техпроцесів в умовах одиничного і дрібносерійного виробництва відповідно на 29,3, 47,5 і 13,8 %.

Комплексний аналіз якості запропонованих і реалізованих технологій виготовлення панелей показує їхню техніко-економічну ефективність, що досягається шляхом скорочення витрат енергії, зменшення термінів і витрат на ТПП, підвищення якості виробів.

Впровадження результатів роботи виконано на Харківському Державному авіаційному виробничому підприємстві (м. Харків), ТОВ "Полтава – Автомаш", Вовчанському агрегатному заводі і підготовлено на ряді підприємств галузі.

ВИСНОВКИ

Розроблено технологічні процеси електрогідравлічного формування та калібрування великогабаритних листових деталей для літаків і двигунів типу панелей жорсткості, що забезпечують зниження ресурсоспоживання при виробництві виробів підвищеної якості.

1. У результаті дослідження номенклатури листоштампованих деталей авіаційної і транспортної техніки встановлено, що тонколистові великогабаритні деталі плоскої чи невеликої подвійної кривизни зі складним рельєфом поверхні складають 6...11 % листових деталей і трудомісткість їхнього виготовлення значно вище в порівнянні з іншими деталями цієї номенклатури. У сучасних економічних умовах виробництва авіаційної техніки раціонально їхнє виготовлення електрогідравлічним штампуванням.

2. Показано, що для реалізації ресурсозберігаючих технологій штампування високоякісних виробів такого типу найбільш перспективні установки ЕГШ, оснащені багатоелектродними розрядними блоками. Вибрано експериментально-аналітичний метод дослідження процесів, опису їхніх результатів і визначення технологічних параметрів, оскільки відомими аналітичними методами, в тому числі і чисельними, складно коректно врахувати всі істотні діючі фактори.

3. Експериментальними дослідженнями процесів ЕГШ із БРБ уперше встановлено:

- залежності полей тиску, що розвивається, і енергії, що передається заготовці, як функції геометричних і механічних параметрів матеріалу деталі;

- емпіричні залежності зміни карти поля навантаження при зміні параметрів робочої зони і керованих параметрів робочої зони;

- зміни характеру взаємодії деформуємих заготовок з імпульсним навантаженням залежно від їхніх параметрів і діапазони таких змін.

4. На основі аналізу експериментальних даних з урахуванням фізики процесу навантаження рухомої заготовки в рідинному середовищі енергосиловими факторами вибуху одержано нові результати:

- процеси формоутворення локальних елементів рельєфу залежно від їхніх відносних діаметра чи ширини суттєво відрізняються характером взаємодії ударних хвиль із заготовкою. При значеннях цих параметрів менше 10 переважну роль для завершення формоутворення відіграє результуючий тиск прямої та відбитої хвиль. Вони реалізуються при калібруванні великогабаритних листових деталей. При значеннях відносної ширини в межах від 10 до 80 переважне значення має кінетична енергія, придбана до початку кавітації, – інерційний процес, характерний для формування таких деталей;

- показано, що при калібруванні технологічним параметром, що визначає основний показник цього процесу – мінімальний приведений радіус кривизни Rпр min , є запасена енергія Аз. Розроблено метод і визначено залежності розрахунку технологічних параметрів при калібруванні;

- при формуванні основним показником процесу є потрібна питома робота формоутворення, а основними технологічними параметрами – число імпульсів заданих параметрів, необхідне для виконання такої роботи і розташування активних електродних пар. Розроблено метод розрахунку процесу формування;

- узагальнено й уточнено математичні моделі полей навантаження при групових розрядах у БРБ різних геометричних параметрів. Розроблено комп'ютерні програми розрахунку карт полей навантаження залежно від геометрії деталі.

5. Відпрацьовані технологічні процеси штампування ряду деталей літакобудівного і транспортного виробництва з різних матеріалів показали достатню точність методів розрахунку і техніко-економічну ефективність розроблених процесів. Основними факторами останньої є: скорочення енергії, що витрачається; зменшення термінів і витрат на ТПП, підвищення якості деталей. Розроблені процеси впроваджені на Харківському Державному авіаційному виробничому підприємстві (м. Харків), ТОВ "Полтава - Автомаш", Вовчанському агрегатному заводі і підготовлені для впровадження на ряді підприємств галузі.

Основні положення дисертації викладені у таких роботах:

1. Антоненко А.А., Князев М.К., Чебанов Ю.И. Исследование полей давлений вблизи отражателей-концентраторов при многоэлектродном электрогидравлическом нагружении //Авiацiйно-космiчна технiка i технологiя: Зб. наук. праць – Х.: Держ. аерокосмiчний ун-т “ХАI”, 1999.- Вип. 14.- C.64-67.

2. Антоненко А.А., Тараненко М.Е. Исследование процесса формообразования листовых деталей типа полуторов // Удосконалення процесів та обладнення обробки тиском у металургії та машинобудуванні: Темат. зб. наук. праць ДДМА.– Краматорськ, 2000.- С.98-101.

3. Антоненко А.А. Об энергетических характеристиках формовки-калибровки на установках ЭГШ с МРБ // Вопросы проектирования и производства летательных аппаратов: Темат сб. науч. трудов: – Х., 2000. - Вып.22(5).

4. Антоненко А.А., Князев М.К. Влияние геометрических параметров электродной пары направленного воздействия на технологические параметры электрогидравлической штамповки // Кузнечно-штампов. производство. - 2002. – №11.- С.7-12.

5. Князев М.К., Антоненко А.А., Ружин А.А. Совершенствование программных средств для проектирования технологических процессов электрогидравлической листовой штамповки //Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Х.: НАКУ "ХАІ".- 2003. - Вып. 17. – С.10-15.

Особистий внесок здобувача у праці, які опубліковані разом із співавторами:

[1] - здобувачем розроблено задачі, вибрано методику проведення експериментів і отримано математичні залежності.

[2] - здобувачем розроблено математичні залежності й визначення розмірів заготовок та їхньої форми.

4 - проведено обробку експериментальних результатів і розроблено емпіричні залежності, що описують поля навантаження.

5 - автор розробив розрахункову програму визначення необхідних параметрів і ефективний спосіб поєднання карти полей розташовуваних навантажень з контурами розрядного блока і потрібним полем тисків.

АНОТАЦІЯ

Антоненко О.А. Розробка технологічних процесів електрогідравлічного формування та калібрування великогабаритних листових деталей літальних апаратів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.04 – “Технологія виробництва літальних апаратів”. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2003.

Дисертація присвячена розробці математичних моделей технологічних процесів електрогідравлічного формування та калібрування великогабаритних листових деталей складної форми на багатоелектродних установках, що дозволяють керувати місцем та енергією розряду вздовж поверхні поля навантаження.

На основі експериментальних досліджень встановлено, що в умовах, характерних для такого штампування, ступінь сприйняття плоскою перешкодою імпульсного навантаження залежить від механічних властивостей та геометричних параметрів заготовки і змінюється не монотонно. Запропоновано критерій, який визначається частотою власних коливань ділянки заготовки, що формується. Цей критерій дозволяє умовно розділити процеси формоутворення на малоінерційні та інерційні. Зроблено висновок, що у діапазоні відносної ширини ділянки, яка формується, від 10 до 100, що відповідає умовам формування, технологічні параметри слід визначати виходячи з потрібних робіт формозмінювання. Для операцій калібрування, в яких цей параметр не більше 10 технологічні параметри розраховують виходячи з потрібного тиску.

Враховуючи можливість керування місцем та кількістю енергії, що виділяється, одержано аналітичні залежності, які дозволяють визначити технологічні параметри за картами потрібних тисків та тисків, що виділяються, роботами деформування та енергією, яка виділяється.

Відпрацьовано низку технологічних процесів формозмінювання панелей жорсткості літаків та листових панелей інших апаратів. Одержано результати, які виявляють прийняту точність одержаних залежностей та математичних моделей процесів, а також їх високу техніко-економічну ефективність для умов індивідуального та малосерійного виробництва.

Результати роботи впроваджено на декількох підприємствах авіаційної та інших галузей промисловості.

Ключові слова: електрогідравлічний розряд, ударні хвилі, техпроцеси, штампування, заготовка, матриця, прес, розрахунок.

SUMMARY

Antonenko A.A. Working out of electro-hydraulic forming and calibration manufacture processes of large-dimensional aircraft sheet articles. – Manuscript.

Thesis for competition of scientific degree of technical science candidate according to specialty 05.07.04 “Aircraft manufacture technology”. – National aerospace university named by N.E. Zhykovsky “Kharkiv aviation institute”, Kharkiv, 2003.

The thesis is devoted to working out of mathematical models of manufacture processes of electro-hydraulic forming and calibration of sheet large-dimensional articles with complex contour, made by multi-electrode installations, which permit to control charge place and energy along loading field surface.

The following result, which is distinctive for above-mentioned stamping, was experimentally established: perception degree of flat barrier to impulse loading depends on mechanical properties and geometrical dimensions of an semi finished article and does not change monotonously. The criterion, which is defined by proper oscillation frequency of deforming region of semi-finished article, was suggested. This criterion permits to divide forming processes on low inertial and inertial. The conclusion that manufacture parameters should be defined based on necessary deforming work in the range of relative width of deforming region from 10 to 100 (that is corresponded to forming process) was done. The manufacture parameters for calibration process (which has relative width less than 10) should be calculated based on necessary pressure.

Analytical dependencies for determination of manufacture parameters by necessary and stored pressure cards, deforming work and applied energy were obtained, considering ability to control place and quantity of applied load.

Some forming manufacture processes for aircraft rigidity panels and sheet panels of other units were worked through. Obtained results shown enough precision of worked out dependencies and mathematical models of processes and high economical efficiency of these dependencies and models for individual and small repetition work.

The work results were introduced on some enterprises of aviation branches and other ones of industry.

Key words: electro-hydraulic charge, impact waves, manufacture process, stamping, semi-finished article, female die, press, calculation.

АННОТАЦИЯ

Антоненко А.А. "Разработка технологических процессов электрогидравлической формовки и калибровки листовых крупногабаритных деталей летательных аппаратов". – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 "Технология производства летательных аппаратов". - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Харьков, 2003 г.

Диссертация посвящена разработке математических моделей технологических процессов электрогидравлической формовки и калибровки листовых крупногабаритных деталей сложной формы, на многоэлектродных установках, позволяющих управлять листом и энергией разряда вдоль поверхности поля нагружения.

На основе экспериментальных исследований, проведенных на многоэлектродной установке с помощью многоместных мембранных и пьезоэлектрических датчиков давления, определения выделяемой при электрогидравлическом разряде энергии и сравнения этих параметров со степенью деформирования заготовок установлено, что процесс восприятия энергии заготовок в условиях рабочего объема многоэлектродных разрядных блоков носит немонотонный характер и существенно зависит от механических свойств и геометрических параметров деформируемых участков заготовки. Предложен критерий, определяемый частотой собственных колебаний деформируемого участка заготовки, позволяющий условно разделить процессы формообразования таких деталей на малоинерционные и инерционные, для которых потребные технологические параметры следует рассчитывать разными методами. Сделан вывод, что в диапазоне относительной толщины деформируемого участка от 10 до 100, что соответствует условиям формовки технологические параметры следует определять исходя из равенства потребных работ деформирования выделяемой энергии. Для операций калибровки, у которых этот параметр менее 10, технологические параметры следует рассчитывать исходя из потребных давлений.

Получены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать карты полей развиваемых давлений для конкретных конструкций многоэлектродных разрядных блоков. В соответствии с требованиями ГОСТ 8.207-86 "Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений" произведена оценка точности полученных результатов, которая показала, что максимальная погрешность не превышает величины 32,3% для многократного нагружения и 28,4% для однократного, а средние – соответственно 18,7% и 14,7%.

Определены коэффициенты полезного использования энергии в различных условиях формовки, погрешность значений которых не превышает 24,8%.

Показано конкретное применение разработанных методов для проектирования технологических процессов формовки и калибровки крупногабаритных листовых деталей со сложным рельефом поверхности на многоконтурном электрогидравлическом прессе ПЭГ-ХАИ-500.

Обработан ряд технологических процессов формоизменения самолетных панелей жесткости и листовых панелей других аппаратов. Результаты подтвердили точность разработанных зависимостей и математических моделей процессов, а также их высокую технико-экономическую эффективность в среде альтернативных технологических процессов для условий индивидуального и мелкосерийного производства.

Результаты работы внедрены на Харьковском государственном авиационном производственном предприятии, ТОВ "Полтава-Автомаш", Волчанском агрегатном заводе и др. предприятиях.

Ключевые слова: электрогидравлический разряд, ударные волны, техпроцесс, штамповка, заготовка, матрица, пресс, расчет.

Підписано до друку 27.10.03 р.

Ум. Друк. Арк. 1 Тир. 100 прим. Зам. 395

Друкарня Видавничого центру "ХАІ"

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17