Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса 10
1.1. Конструкционные ВКМ системы алюминий-бор, их характеристики и перспективы применения 17
1.2. Способы производства профилей из ВКМ 28
1.2.1. Одностадийные процессы 28
1.2.2. Двухстадийные процессы 32
1.3. Система критериальных выражений для процесса гибки компактных листовых заготовок из ВКМ 42
1.4. Математические методы исследования процессов формоизменения ВКМ , 47
1.5. Предлагаемая схема получения профилей из ВКМ методом гибки -прокатки 51
Выводы по главе I 52
Цель работы и задачи исследования 54
ГЛАВА II. Методика исследования 56
2.1. Исследуемые материалы и их компоненты 56
2.2. Применяемые методы исследования 60
2.3. Программные средства для проведения математического моделирования и проектирования экспериментальной установки 63
ГЛАВА III. Исследование процесса гибки вкм с жестко-эластичным радиальным подпором 66
3.1. Математическое моделирование процесса гибки листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки 67
3.1.1. Построение математической модели 68
3.1.2. Экспериментальная проверка математической модели 79
3.1.3. Анализ напряженно-деформированного состояния и установление функциональных зависимостей при гибке листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки 82
3.2. Математическое моделирование гибки-прокатки профилей из ВКМ с
жестко-эластичным радиальным подпором заготовки 120
3.2.1. Постановка задачи для анализа профиля из ВКМ на продольный изгиб в ходе процесса гибки-прокатки 120
3.2.2. Определение момента, создаваемого жестко-эластичным радиальным подпором 123
3.2.3. Расчет профиля из ВКМ на продольный изгиб 130
3.2.4. Формулировка критерия сохранения прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон 133
Выводы по главе III 134
ГЛАВА IV. Разработка технологического процесса производства длинномерных профилей методом гибки-прокатки : 138
4.1. Проектирование и изготовление экспериментальной установки для получения профилей из ВКМ методом гибки-прокатки 138
4.2. Экспериментальное исследование процесса гибки-прокатки профилей из ВКМ 144
4.3. Разработка технологической схемы процесса производства длинно
мерных профилей из ВКМ методом гибки-прокатки 150
Выводы по главе IV 154
Общие выводы 156
Библиографический список
- Способы производства профилей из ВКМ
- Математические методы исследования процессов формоизменения ВКМ
- Программные средства для проведения математического моделирования и проектирования экспериментальной установки
- Анализ напряженно-деформированного состояния и установление функциональных зависимостей при гибке листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки
Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс в авиационной и космической промышленности неразрывно связан с поиском и разработкой новых технологических решений, позволяющих уменьшить массу летательных аппаратов, повышая при этом отдачу по полезной нагрузке. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эту задачу, является разработка новых эффективных технологических процессов с использованием в качестве материалов для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники композиционных материалов на металлической основе.
Среди существующих в настоящее время композиционных материалов с металлической матрицей особое место занимают волокнистые композиционные материалы (ВКМ) системы алюминий-бор, обладающие повышенной конструкционной эффективностью: высокими значениями удельной жесткости и прочности при малой плотности в сочетании с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Кроме того, ВКМ системы алюминий-бор обладают общим для всех композиционных материалов достоинством, заключающимся в возможности регулирования их свойств за счет изменения соотношения входящих в их состав компонентов с различными физическими и механическими свойствами. Снижение массы и повышение жесткости основных узлов летательных аппаратов может быть достигнуто путем замены традиционных материалов на ВКМ системы алюминий-бор.
С точки зрения конструкционной эффективности, применение ВКМ наиболее целесообразно для изготовления из них различных элементов жесткости (профилей, труб и др.), испытывающих максимальную нагрузку в направлении армирования. Существующие в настоящее время способы производства профилей из ВКМ рассчитаны на получение изделий ограниченной длины. По этой причине производство длинномерных профилей из ВКМ, применяющихся в крупногабаритных узлах летательных аппаратов,
либо вовсе не осуществимо, либо сопряжено с дополнительными техническими трудностями.
Учитывая особенности состава и строения ВКМ, для производства из них пространственных изделий наиболее приемлема операция гибки. При этом гибка с жестко-эластичным радиальным воздействием на заготовку позволяет существенно увеличить допустимую степень формоизменения листового ВКМ за счет создания дополнительного гидростатического давления в очаге деформации. Получение длинномерных профилей из ВКМ по предлагаемой в настоящей работе схеме заключается в объединении процессов гибки с жестко-эластичным радиальным подпором и прокатки в одном технологическом процессе.
Для получения качественных изделий по предлагаемой схеме актуальной задачей является исследование процесса гибки ВКМ системы алюминий-бор с жестко-эластичным радиальным подпором математическими и экспериментальными методами с целью определения численных значений тангенциальных напряжений и деформаций, возникающих при гибке листового ВКМ и определяющих допустимую степень его формоизменения, и разработка на его основе нового технологического процесса получения длинномерных профилей из ВКМ.
Цель работы заключается в исследовании процесса гибки листового ВКМ системы алюминий-бор с жестко-эластичным радиальным подпором и разработке научно обоснованного технологического процесса производства длинномерных профилей из волокнистого композиционного материала АД1-бор методом гибки-прокатки.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
разработка принципиальной схемы технологического процесса;
математическое моделирование процесса гибки профилей из ВКМ;
совершенствование критериальной системы путем формулировки нового критерия, учитывающего особенности процесса гибки-прокатки;
проектирование и изготовление экспериментальной установки;
проведение экспериментальной оценки параметров технологического процесса и получение опытных изделий методом гибки-прокатки;
разработка технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Определены численные значения тангенциальных напряжений и деформаций, действующих в зоне растяжения заготовки из ВКМ при гибке с жестко-эластичным радиальным подпором. Определены численные значения радиальных напряжений, действующих на заготовку со стороны жестко-эластичного подпора.
Установлены следующие функциональные зависимости:
минимально допустимый относительный радиус изгиба в зависимости от шага укладки волокон (объемной доли армирующих волокон), а также при свободном изгибе листовой заготовки из ВКМ;
требуемая глубина внедрения гибочного инструмента в зависимости от параметров листовой заготовки из ВКМ (толщины и ширины) и параметров технологического процесса гибки (относительного радиуса и угла изгиба);
напряжение жестко-эластичного радиального подпора в зависимости от глубины внедрения гибочного инструмента и размеров полиуретано-вой матрицы.
3. На основании критериальной системы определены минимально до
пустимые значения относительного радиуса изгиба при гибке заготовок из
ВКМ различной конфигурации.
V ґА- Предложена новая схема армирования с дифференцированным ша-гом укладки волокон и на основании анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) при гибке с дифференцированным шагом укладки волокон в нижнем армирующем слое доказана ее эффективность для повышения допустимой степени формоизменения листовой заготовки из ВКМ (минимизации относительного радиуса изгиба).
5. Определено влияние жестко-эластичного радиального подпора на НДС заготовки из ВКМ в ходе процесса гибки-прокатки. Предложена методика расчета профиля из ВКМ заданной конфигурации на продольный изгиб и сформулирован дополнительный критерий для процесса гибки-прокатки, обеспечивающий сохранение прямолинейности готового профиля и сплошности армирующих волокон.
Практическая значимость работы определяется комплексом проведенных исследований, на основании результатов которого разработан технологический процесс производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки.
Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для гибки-прокатки профилей из ВКМ. Разработаны схема и режимы технологического процесса производства длинномерных профилей из ВКМ АД 1-бор методом гибки-прокатки.
На предлагаемый в настоящей работе способ получения армированных профилей из волокнистых композиционных материалов получен патент Российской Федерации на изобретение №2207927 (приоритет от 21 ноября 2001 г.).
Достоверность полученных результатов основана на применении хорошо зарекомендовавших себя методов исследования, а также высокой степени соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Слоистые композиционные материалы», г. Волгоград, 2001 г; XXVIII, XXIX и XXX Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения», г. Москва, 2002-2004 гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2002 и 2004 гг.; конференции «Международная неделя металлов», Москва, 2003; Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2003-2004 гг.; Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством», Москва, 2003-2004 гг.
Проведенные исследования процесса гибки листового волокнистого композиционного материала с жестко-эластичным радиальным подпором отмечены двумя дипломами Всероссийского конкурса «Компьютерный инжиниринг» в 2002 и 2004 гг.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 публикациях и патенте РФ.
Объем диссертационной работы. Настоящая диссертационная работа изложена на 167 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, библиографического списка, приложения, 27 таблиц и 74 рисунков.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность профессору, доктору технических наук Виктору Ивановичу Галкину за научное руководство выполненной работой.
Автор благодарен коллективу кафедры «Технология обработки металлов давлением» во главе с заведующим кафедрой, ректором «МАТИ» -РГТУ им. К.Э. Циолковского, профессором, доктором технических наук А.П. Петровым и заместителем заведующего кафедрой, доцентом, кандида-
том технических наук А.В. Соколовым за предоставленную возможность совместной работы. Особо ценными были замечания профессора, доктора технических наук А.Е. Шелеста, профессора, кандидата технических наук Е.В. Ширяева, доцента, кандидата технических наук А.Р. Палтиевича и профессора, кандидата технических наук B.C. Соколова, которым автор выражает свою искреннюю признательность.
Выполнению работы способствовали помощь и содействие сотрудников кафедры «Технология обработки металлов давлением»: ассистента Е.В. Преображенского, заведующего лабораторией кафедры, кандидата технических наук В.В. Еремеева и ст. преподавателя Е.Д. Вейнгеровой.
Автор также считает необходимым отметить высокие заслуги в области исследования композиционных материалов выдающихся отечественных и зарубежных ученых В.Ф. Мануйлова, Б.А. Арефьева, К.И. Портного, СЕ. Салибекова, К.Г. Крейдера и К.М. Прево, ставших основоположниками научного направления по исследованию композиционных материалов на металлической основе.
Способы производства профилей из ВКМ
Матричные материалы. Матрица является важным элементом ВКМ, обеспечивающим монолитность композита, фиксирующим форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяющим действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части волокон. Материал матрицы определяет метод производства изделий из композитов, возможность изготовления конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технологических процессов и т. п.
Таким образом, требования, предъявляемые к матрицам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К первым относятся требования, связанные с механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Механические свойства матрицы должны обеспечить совместную работу армирующих волокон при различных видах нагрузок.
Прочностные характеристики материала матрицы являются определяющими при сдвиговых нагрузках, нагружении композита в направлениях, отличных от ориентации волокон, а также при циклическом нагружении. Природа матрицы определяет уровень рабочих температур композиционного материала, характер изменения свойств под воздействием атмосферных и других факторов. С повышением температуры прочностные и упругие характеристики матричных материалов, так же как и прочность их соединений со многими типами волокон, снижаются. Материал матрицы также характеризует устойчивость композита к воздействию внешней среды, химическую стойкость, частично теплофизические, электрические и другие свойства.
Технологические требования к матрице определяются протекающими обычно одновременно процессами получения композита и изделия из него, т. е. процессами совмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного формообразования компактного изделия (или полуфабриката). Целью технологических операций являются обеспечение равномерного (без касания между собой) распределения волокон в матрице при заданном их объемном содержании, максимально возможное сохранение прочностных свойств волокон, создание достаточно прочного взаимодействия на границе волокно/матрица.
Матричные материалы на основе алюминия имеют при нормальных условиях широкий спектр прочностных характеристик (временное сопротивление разрыву от 60-80 до 700-750 МПа), обладают низкой плотностью, высокой пластичностью, хрупкостью оксидной пленки, технологичностью при различных видах механической обработки, хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью, способностью к релаксации напряжений. В качестве матричной составляющей композитов применяются технический алю миний, сплавы марок АД1, АМц, АМг2, АМгб, АДЗЗ, АВ, 1201, Д20, Діб, В95 и др.
Алюминий и сплавы на его основе при комнатной температуре характеризуются модулем упругости Е = (68 - 72,5) ГГТа, модулем сдвига G = (26,5 - 27) ГПа, коэффициентом Пуассона нр = 0,32-0,33. Сопротивление деформации при температурах горячей обработки алюминия и алюминиевых малолегированных сплавов при статических условиях деформирования составляет 8-25 МПа, допустимые степени деформации 80-95% . Для прочных алюминиевых сплавов эти показатели составляют соответственно 55-100 МПа и 60-80%. При динамических условиях деформирования сопротивление деформации этих материалов возрастает в 1,5-3 раза, а допустимые степени деформации снижаются на 10-20%.
В практике получения композиционных материалов на основе алюминия широко применяют методы предварительного совмещения составляющих, например, плазменное напыление матричного материала, которое существенно изменяет структуру и свойства ВКМ. При использовании данного способа матрица формируется в результате высокоскоростного перемещения расплавленных мелких частиц, соударения их с поверхностью, на которую производят напыление, и высокоскоростной кристаллизации. Поэтому матрица в указанных условиях формируется в виде скопления тонкопластинчатых частиц размером 2-10 мкм, по границам которых наблюдаются сплошные либо дискретные тончайшие оксидные пленки (отдельные мельчайшие оксидные вкрапления наблюдаются и внутри пластин, их содержание зависит от атмосферы, в которой производят напыление). Кроме того, содержание легирующих элементов и примесей после плазменного напыления изменяется. В совокупности перечисленные факторы существенно изменяют и структуру, и механические свойства алюминиевых матриц (табл. 1.2).
Следует также отметить, что частицы материала матрицы при напылении оказывают термическое и механическое воздействие на волокна, однако оптимизация условий проведения процесса обеспечивает возможность сохранения исходной прочности многих видов волокон, имеющих защитные покрытия; снижение исходной прочности волокон без покрытий составляет несколько процентов. Например, при напылении алюминия на волокна бора последние сохраняют 90-92% своей прочности [5].
Математические методы исследования процессов формоизменения ВКМ
Анализ напряженно-деформированного состояния детали, полученной методами ОМД, представляет собой сложную инженерную задачу. В настоящее время для решения задач такого типа используются модели, построенные на базе численных методов [49]. Одним из наиболее эффективных численных методов решения математических задач, описывающих состояние физических систем сложной структуры, является метод конечных элементов (МКЭ) [50]. Область применения этого метода постоянно расширяется, давая при этом точные результаты. Это развитие стало возможным благодаря развитию компьютерной техники и ее вычислительных возможностей. МКЭ реализован в применяемых в настоящей работе программных продуктах ANSYS (версия 6.0) компании ANSYS Inc. и DEFORMED (версия 5.0) корпорации SFTC. Использование систем конечно-элементного анализа делает возможным исследование объектов без создания их материального прототипа, путем построения и решения адекватной математической модели. Такой метод позволяет в несколько раз уменьшить период создания продукции, материальные расходы и оптимизировать конструкцию изделий из ВКМ [51].
МКЭ позволяет с большой точностью исследовать динамику и кинематику деформационных процессов в любой части исследуемой области с учетом реологических особенностей разнородных компонентов ВКМ. Построение математических моделей (как плоских, так и объемных) основано на минимальном числе допущений и ограничений, что положительно отражается на результатах исследований [52].
МКЭ относится к группе проекционно-сеточных методов [45]. В его основе лежит замена искомой непрерывной функции ее дискретной моделью [53]. На первом этапе (локальной аппроксимации) исследуемая область разбивается на множество подобластей - конечных элементов, представляющих собой фигуры в виде плоских либо объемных многоугольников с узловыми точками в их вершинах, а для комплекс-элементов - дополнительными узлами на сторонах многоугольников. В рамках каждого конечного элемента искомая функция аппроксимируется полиномом, который в узловых точках приобретает определенные значения [54].
Рассмотренная схема позволяет легко задавать и контролировать граничные и начальные условия решения задачи. Для рассмотрения зоны деформации как единого целого переходят ко второму этапу - глобальной аппроксимации. Объединение конечных элементов в единую модель осуществляется путем уравновешивания значений полиномов соседних элементов в каждой их совместной узловой точке. Определение искомых значений функции осуществляется либо методом Галеркина, где минимизируется ошибка решения задачи на основе приближенной модели, либо с помощью метода Рица, основанного на минимизации функционала, который описывает физическую сущность процесса.
В итоге математическая модель заменяется системой алгебраических уравнений типа: [K]{U} + [B] = 0, (1.8) где [ К ] - матрица жесткости; { U } - вектор неизвестных узловых значений искомой функции; [ В ] - вектор свободных членов.
Значительным преимуществом МКЭ является возможность моделирования деформационных нестационарных процессов. Для этого на базе разработанной модели получают ряд последовательных решений с определенным шагом по времени. Причем решение, найденное на предыдущем шаге, применяется как предварительное для последующего шага. В итоге МКЭ представляет собой хорошо формализованный метод, который реализуется в виде итерационного процесса с циклами по элементам и по времени (рис.1.9.).
Точность решения МКЭ во многом определяется характером пластического течения, а также соотношением размеров конечных элементов с временным шагом. В общем случае, для получения приемлемых результатов требуется значительное количество конечных элементов, поэтому система уравнений (8), как правило, имеет большую размерность, и для ее решения требуются ЭВМ значительной мощности [55].
Другая причина заключается в нелинейном характере взаимосвязи между напряжениями и деформациями в пластической области, что в существенной мере усложняет решение задач обработки давлением по сравнению с другими областями механики. Поэтому в качестве неизвестных функций при построении математических моделей деформационных процессов рассматриваются скорости перемещения узловых точек либо скорости деформации. После нахождения в узловых точках их значений для каждого конечного элемента определяются компоненты тензоров деформаций и напряжений. Последние напрямую не связаны с элементами тензора скоростей деформаций. Поэтому сначала рассчитываются элементы девиатора напряжений, а затем и весь тензор, как сумма девиаторной и шаровой составляющих.
Вследствие того, что МКЭ является приближенным численным методом, он имеет некоторую степень погрешности. Однако в нем заложено большое количество параметров, с помощью которых можно управлять степенью точности получаемых результатов: степень дискретизации сетки, параметры нагружения и методы получения решения. При этом МКЭ позволяет исследовать конструкции почти неограниченной степени сложности, что объективно невозможно осуществить аналитическими методами.
Используя возможности метода конечных элементов, в настоящей работе проводится детальный анализ напряженно-деформированного состояния компактного листового ВКМ в условиях формоизменения по предлагаемой схеме гибки-прокатки в валках с радиальным подпором заготовки.
Программные средства для проведения математического моделирования и проектирования экспериментальной установки
Применяемый в настоящей работе ВКМ АД1-В представляет собой гетерогенный материал, армированный хрупкими и малопластичными волокнами, поэтому в данном случае имеет место принцип однокомпонентной деформации матричной составляющей.
Математическое моделирование позволяет оценить влияние таких параметров исходной заготовки, как шаг укладки волокон, объемная доля волокон в ВКМ, толщина заготовки и др. на технологические параметры процесса гибки компактной листовой заготовки из ВКМ с жестко-эластичным подпором. При этом должны учитываться особенности состава и строения ВКМ.
Максимально допустимые значения напряжений и деформаций в заготовке устанавливались в соответствии с критериальной системой. Для тангенциальных напряжений в зоне растяжения в качестве максимально допустимого взято значение, равное 80% от предела прочности матричного материала (для плазменно-напыленного материала АД1 а„=120 МПа [10, 3]), т.е. 88 МПа и соответствующее прочности связи на границе матрица-волокно. Критическим значением тангенциальных деформаций в зоне растяжения является величина относительного удлинения матричной составляющей (для плазменно-напыленного материала АД1 - 5=25% по данным [10, 3] и 8=20% по данным К.Г. Крейдера и К.М. Прево [1]). По рассчитанным величинам тангенциальных напряжений и деформаций в зоне растяжения оценивалось состояние листовой заготовки после ее формоизменения гибкой.
Математическое моделирование процесса гибки листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки проводилось с использованием конечно-элементного пакета ANSYS. Применявшаяся для анализа НДС конечно-элементная модель строилась на основе схемы гибки листовой заготовки из ВКМ в штампе с жестко-эластичным радиальным подпором (рис. 3.1). матрица; 4 - металлический контейнер
Расчет математической модели процесса гибки гетерогенной заготовки во вращающихся валках методом конечных элементов является сложной вычислительной задачей и, как следствие, требует значительных ресурсов применяемой вычислительной техники. Поэтому при построении математической модели целесообразно ввести некоторые упрощения, не искажающие общей картины напряженно-деформированного состояния, характерного для исследуемого процесса. В связи с тем, что гибка листовой заготовки из ВКМ в по-лиуретановую матрицу представляет собой плосконапряженную задачу, в данном случае есть основания использовать двухмерную (плоскую) математическую модель. Принимая во внимание тот факт, что характер НДС очага деформации определяется напряжениями и деформациями, действующими в элементарной ячейке ВКМ [10], при построении конечно-элементной модели правомерно ограничить число моделируемых волокон и оставить неармиро-ванными участки профиля, не подвергающиеся деформации. Кроме того, при исследовании процесса гибки, когда полиуретановая матрица запрессована в металлическом контейнере, создание соответствующих граничных условий для полиуретановой матрицы в ANS YS обеспечивается за счет линий, закрепленных по всем степеням свободы.
Все принятые допущения вполне правомерны, так как в рассматриваемой модели в полной мере учитывается влияние как тангенциальных напряжений в заготовке, так и радиального подпора со стороны полиуретановой матрицы, то есть двух наиболее важных факторов, определяющих исследуемый процесс.
Для создания конечно-элементной модели, наиболее полно соответствующей исследуемому процессу, необходимо принимать во внимание и задавать в ANSYS следующие параметры:
1. Технологические параметры: - относительный радиус изгиба (в толщинах листовой заготовки); - геометрические размеры гибочного инструмента (пуансона или ролика), полиуретановой матрицы и контейнера; - величина зазора между заготовкой и контейнером (расстояние от края заготовки до стенки контейнера), а - рис. 3.3; - количество волокон в одном ряду; - размеры неармированной зоны (полок профиля) , b - рис. 3.3; - угол гибочного инструмента; - количество армированных слоев; - величина вертикального перемещения гибочного инструмента.
2. Характеристики BKM: - диаметр волокна; - шаг укладки волокон; - толщина заготовки.
3. Параметры, необходимые для расчета в ANSYS: - тип конечных элементов; - упругие и пластические свойства материалов матрицы, волокон, полиуретана, гибочного инструмента (пуансона или ролика) и контейнера; - свободная (free) или заданная определенно (mapped) разбивка компонентов модели на конечные элементы; - количество конечных элементов для разбивки каждого компонента конечно-элементной модели; - коэффициенты трения между гибочным инструментом (пуансоном или роликом) и ВКМ, а также между ВКМ и полиуретаном; - все параметры решателя (тип анализа, начальный шаг решения, количество итераций и записей в файл с результатами и др.); - параметры постпроцессора (запись файла базы данных и файла с результатами расчета, вывод полученных результатов в графическом отображении на экран).
Анализ напряженно-деформированного состояния и установление функциональных зависимостей при гибке листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором заготовки
Характер полученной линейной зависимости максимальных напряжений радиального подпора от глубины внедрения отражает особенности упругой деформации полиуретанового эластомера СКУ-7Л и согласуется с экспериментальными данными, полученными в работе [3] для полиуретана марки СКУ-ПФЛ (с учетом большей жесткости полиуретана этой марки) при аналогичных условиях проведения гибки.
Зависимость максимальных тангенциальных напряжений в заготовке от глубины внедрения в полиуретановую матрицу свидетельствует о положительном влиянии жестко-эластичного радиального подпора на НДС листовой заготовки из ВКМ. Значения максимальных тангенциальных напряжений обратно пропорциальны радиальному воздействию (гидростатическому давлению, действующему на заготовку из ВКМ) со стороны полиуретановой матрицы. Из этого следует, что допустимая степень формоизменения, характеризующаяся минимально допустимым радиусом изгиба, также находится в обратной зависимости от величины жестко-эластичного радиального подпора. Таким образом, создание более интенсивного радиального воздействия на очаг деформации (например, при использовании более жестких полиуретано-вых эластомеров) позволяет проводить гибку с меньшими относительными радиусами изгиба и дает возможность управлять НДС листовой заготовки из ВКМ. Альтернативным вариантом повышения жесткости полиуретановой матрицы является уменьшение ее размеров. Предельно допустимая величина толщины полиуретановой матрицы определяется как 3hBII (где hBH-требуемая глубина внедрения для формирования профиля) [47].
Для оценки влияния размеров полиуретановой матрицы на величину создаваемого ею радиального подпора на заготовку из ВКМ рассмотрена следующая задача.
Задача №5. Определение напряжения жестко-эластичного радиального подпора и его влияния на НДС заготовки из ВКМ в зависимости от размеров полиуретановой матрицы.
Параметры исходной листовой заготовки из ВКМ и технологического процесса гибки выбирались по аналогии с предыдущей задачей для обеспечения возможности сопоставления полученных результатов.
Исходные данные: Технологические параметры: а) Относительный радиус изгиба - 7 толщин; б) Угол изгиба - 90 градусов; в) Глубина внедрения в полиуретановую матрицу - 7 мм. Заготовка: а) Материал - ВКМ АД1-бор; б) Толщина заготовки - 1 мм; в) Ширина заготовки - 40 мм; г) Шаг укладки волокон - 240 мкм; Vf «29%. Полиуретановая матрица: толщина - 40 мм (изменяемый параметр для первого варианта задачи); ширина - 50 мм (изменяемый параметр для второго варианта задачи). Результаты а) Решено 5 вариантов задачи с изменением толщины полиуретановой матрицы от 20 до 40 мм (с шагом 5 мм). б) Решено 5 вариантов задачи с изменением ширины полиуретановой матрицы от 50 до 90 мм (с шагом 10 мм).
Полученные зависимости свидетельствует о существенном влиянии размеров полиуретановои матрицы на напряжения радиального подпора и, как следствие, на тангенциальные напряжения в заготовке. Отмечается весьма резкое повышение напряжения подпора при приближении к минимально допустимой толщине полиуретановои матрицы, которая ориентировочно равна 19,5 мм для гибки с глубиной внедрения пуансона, равной 6,5 мм. Влияние ширины полиуретановои матрицы на НДС наиболее существенно при значениях данного параметра близких к ширине изгибаемой заготовки. Это объясняется более жесткими условиями деформирования полиуретановои матрицы и, как следствие, более интенсивным радиальным воздействием на заготовку.
Полученные значения также согласуются с результатами предыдущей задачи. На основании полученных зависимостей можно определить размеры полиуретановои матрицы для гибки листовой заготовки из ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором в требуемом интервале степеней формоизменения (в определенном интервале относительных радиусов изгиба) и установить ориентировочные значения таких параметров технологического процесса, как потребное усилие и требуемая глубина внедрения гибочного инструмента.
В связи с тем, что требуемая глубина гибочного инструмента с заготовкой в полиуретановую матрицу является одним из основных технологических параметров процесса гибки листового ВКМ с жестко-эластичным радиальным подпором, дальнейшее исследование процесса гибки, направленное на разработку технологических режимов, приводит к необходимости определения требуемой глубины внедрения в зависимости от параметров заготовки и технологического процесса.
Приводимые далее эксперименты направлены на определение влияния параметров исходной заготовки (толщины и ширины) и технологических параметров процесса (относительного радиуса и угла изгиба) на требуемую глубину внедрения гибочного инструмента с заготовкой в полиуретановую матрицу.
