Введение к работе
Актуальность темы. Развитие машиностроения невозможно без решения задачи повышения качества деталей и узлов механизмов. Основой решения этой проблемы может быть комплексный подход, включающий как разработку новых технологий их изготовления, так и систематизацию данных о параметрах известных технологий и разработку обоснований режимов их осуществления с целью их совершенствования.
Слоистые конструкции различной формы из титана, включающие одно- или двухстороннюю обшивку с заполнителем в виде чередующихся перегородок, сот, гофр и др., находят все большее применение в авиастроении и других видах техники.
Использование слоистых конструкций из титана позволяет значительно снизить массу конструкций, повысить их работоспособность, которая в значительной степени зависит от способа соединения элементов и режимов его реализации.
Все большее значение приобретают процессы получения неразъемных конструкций из титана с помощью сжимающего давления, обеспечивающего соединение заготовок по всей площади их контактных поверхностей и, тем самым, наибольшую прочность. Однако ввиду недостаточного практического опыта использования соединенных при помощи давления изделий и недостаточно разработанных обоснований режимов технологического процесса эта технология не получила широкого распространения.
Процесс получения неразъемного соединения сопровождается развитием пластических деформаций в зонах контактных поверхностей соединяемых элементов конструкции, в связи с чем важным является вопрос распределения контактных давлений. Неравномерное распределение контактных сил (нормальных и касательных) порождает появление зон затрудненных деформаций и приводит к уменьшению площади физического контакта и снижению прочности соединения. Решение задачи получения пластических деформаций по всей площади контактных поверхностей соединяемых заготовок осуществляется за счет ужесточения параметров технологического процесса: повышения температуры заготовок до 1273 К и технологического давления до 10 МПа, что негативно сказывается на долговечности технологической оснастки.
В этих условиях проблемными становятся также вопросы остаточных деформаций и потери устойчивости соединяемых элементов, когда возможно получение многослойных конструкций с недопустимыми искажениями формы изделия.
В связи с изложенным актуальным является вопрос разработки схем технологического процесса с минимальными значениями технологического давления и температуры при условии достижения необходимого уровня прочности соединения элементов конструкции, а также разработка оборудования для их реализации.
Данная работа выполнялась в соответствии с основным научным направлением ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники» в рамках научного направления «Теория и практика машиностроительного производства» № 2007.39 на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Цель и задачи исследования: Целью работы является разработка технологического процесса и технических решений конструкций оборудования для неразъемного соединения давлением заготовок из титана путем комбинированного нагружения и нагрева, обеспечивающего повышение прочности соединения элементов слоистых конструкций.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
1. Определить условия возникновения пластических деформаций на контактных поверхностях соединяемых заготовок, обеспечивающих высокую прочность соединений.
-
Проанализировать процесс контактного взаимодействия элементов титановых конструкций и установить закономерности напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при оптимальных условиях осуществления соединения заготовок.
-
Исследовать механические свойства получаемых конструкций и закономерности их изменения при различных параметрах технологического процесса.
-
Разработать рекомендации по проведению технологического процесса, предложить технические решения конструкций оборудования для реализации технологических процессов получения неразъемных конструкций из титана путем воздействия силами по разработанным схемам и провести апробирование разработанной технологии на различных типах конструкций.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории упругости и теории пластичности. Для определения напряженно-деформированного состояния использовались пакеты модуля Pro/MECHANICA программного комплекса Pro/ ENGINEER, программы ABAQUS, ANSYS 10/ED, построенные на основе конечно-элементных методов. Экспериментальные исследования проводили с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработка данных экспериментальных исследований выполнялась с применением методов математической статистики.
Достоверность результатов и выводов работы обеспечена корректной постановкой задачи с использованием допущений, основанных на результатах исследований, признанных в материаловедении, теории упругости и пластичности, применением современных методов математического моделирования и методов вычислений. Использованные пакеты программ сертифицированы по стандарту ISO 9001 и используются при решении научных и производственных задач. Достоверность полученных данных экспериментальных исследований обеспечена использованием современных аттестованных измерительных средств и методик. Предложенные схемы и методики проверены опытно-промышленными испытаниями.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Определены условия пластического состояния в зонах контактного взаимодействия соединяемых заготовок, обеспечивающие высокую прочность соединения.
-
Установлены закономерности распределения контактных сил взаимодействия соединяемых заготовок в период, предшествующий возникновению пластических деформаций, и их зависимость от геометрических параметров заготовок и сил трения, а также в период формирования контактных зон пластического состояния.
-
Выявлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и разработаны схемы комбинированного нагружения сжатием со сдвигом соединяемых элементов, обеспечивающие реализацию пластического состояния в контактной зоне и высокую прочность соединения при минимальных значениях температуры нагрева и сжимающих нагрузок.
-
Разработаны и обоснованы технические решения технологической оснастки и запатентованной схемы конструкции пресса для реализации технологического процесса получения неразъемных конструкций из титана путем сжатия со сдвигом.
Практическая значимость работы. На основе решения контактных задач в упругой и упругопластических областях разработаны и обоснованы
новые схемы комбинированного нагружения соединяемых элементов конструкций, определены параметры технологического процесса соединения давлением конструкций из титана, обеспечивающие их высокую прочность. Разработаны технические решения технологической оснастки, использование которых позволяет получать высокопрочные конструкции при минимальных значениях сжимающего давления и температуры нагрева заготовок, а также увеличить долговечность технологического оборудования.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные схемы нагружения, рекомендации по модернизации технологической оснастки и изменению режимов технологического процесса соединения давлением конструкций из титана приняты к внедрению в Воронежском акционерном самолетостроительном обществе, а также внедрены в учебный процесс в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», что подтверждено актами внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-методической конференции «Информатика, проблемы, методологии, технологии» (Воронеж, 2006), Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2006), V Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2006), XI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2004), ежегодных научно-технических конференциях ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (2004-2009), ХI Всероссийской научно-технической конференции «Научные исследования и разработки в области авиационных, космических и транспортных систем» (АКТ-2010).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также получен патент на изобретение. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат:
[1] – разработка схем технологического нагружения, анализ результатов моделирования; [2] – разработка методики конечно-элементного моделирования процесса соединения элементов из титана; [3] – разработка методики, выполнение вычислений и анализ результатов вычислительных экспериментов; [6] – выполнение расчетов и анализ их результатов; [5] – выполнение расчетов и анализ их результатов; [4] – разработка математической модели режимов функционирования пресса, анализ результатов расчета; [7] – анализ данных сравнительного моделирования и обоснование схем соединения элементов из титана; [9] – выполнение вычислительных экспериментов, анализ данных моделирования и обоснование схем нагружения; [10] – обоснование схемы и параметров пресса.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 103 наименований. Основная часть работы изложена на 124 страницах, содержит 83 рисунка, 4 таблицы.
