Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка технологических основ совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки при изготовлении тонкостенных листовых профильных деталей летательных аппаратов Марковцев Владимир Анатольевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Марковцев Владимир Анатольевич. Разработка технологических основ совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки при изготовлении тонкостенных листовых профильных деталей летательных аппаратов: автореферат дис. ... доктора Технических наук: 05.07.02 / Марковцев Владимир Анатольевич;[Место защиты: Национальный институт авиационных технологий], 2016

Введение к работе

Актуальность темы. Высокий уровень конкуренции на рынке авиационной техники требует от разработчиков и производителей создания изделий с максимальными летно-техническими характеристиками при минимальных затратах на производство. Это достигается использованием современных конструкторских разработок, применением новых материалов, оборудования и технологий, позволяющих существенно повысить качество авиационной продукции при снижении трудоемкости изготовления.

Одним из путей, позволяющим повысить технико-экономические и эксплуатационные характеристики изделий авиационной промышленности, является широкое применение в панелях фюзеляжей тонкостенных гнутых профилей, изготовленных из листовых заготовок высокопрочных сплавов и композиционных материалов. Во многих случаях исходные листовые заготовки имеет дополнительную плакировку поверхности, значительно повышающую коррозионную стойкость и ресурс изделий.

Совмещенные процессы формообразования, правки и продольной гибки на высокопроизводительных гибочно-прокатных станках профилей из высокопрочных труднодеформируемых сплавов толщиной заготовки от 0.5 до 3 мм позволяет значительно сократить затраты на изготовление профильных авиационных деталей.

Особо актуальной задачей является решение проблемы получения гнутых профилей из листовых плакированных заготовок высокопрочных авиационных сплавов и композиционных материалов с обеспечением повышенной жесткости профиля за счет создания в местах изгибов утолщений и минимальных радиусов.

Степень разработанности темы.

Предшествующие работы по технологии изготовления тонкостенных гнутых профилей стесненным изгибом из листовых авиационных материалов, выполненные Г. В. Проскуряковым, В. И. Ершовым, Ю. М. Арышенским, И. М. Колгановым и В. И. Филимоновым были, в основном, посвящены формообразованию заданного сечения профиля. Последующее изготовление из профилей стрингеров, шпангоутов и других авиационных деталей традиционно осуществляются гибкой с растяжением на обтяжном пуансоне или гибкой – прокаткой в роликах на гибочных станках в несколько переходов. Данные техпроцессы сопровождаются возникновением дефектов в виде гофр на полках и стенках, уменьшением толщины и возникновением трещин в местах изгиба. Наиболее эффективным способом предупреждение появления дефектов и сокращения затрат на изготовление профильных авиационных деталей является совмещение процессов формообразования, правки и продольной гибки при профилировании на гибочно-прокатных станках с использованием метода стесненного изгиба [29].

Цель и задачи работы. Цель работы - технологическое обеспечение эффективного производства профильных деталей с высокими ресурсными и прочностными характеристиками для перспективных изделий авиационной отрасли.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Рассмотреть основные типы авиационных гнутых профилей и провести классификацию технологических схем совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки профилей из листовых авиационных материалов.

2. Разработать математическое описание процессов, происходящих в очаге
пластической деформации, при одновременных формообразовании, правке и
продольной гибке гнутых профилей из труднодеформируемых авиационных
сплавов с получением минимальных бездефектных радиусов мест изгиба.

3. Разработать теоретические модели процессов получения гнутых
профилей методом стесненного изгиба (СИ) на гибочно-прокатных станках с
обеспечением прямолинейности и заданной продольной кривизны
непосредственно при профилировании.

  1. Провести экспериментальные исследования совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки профилей, получить зависимости геометрических параметров и структур материалов профиля от технологических и энергосиловых режимов гибки-прокатки в условиях создания пластического шарнира в очаге деформации заготовки в роликах при СИ.

  2. Разработать и внедрить эффективные технологии, специализированное гибочно-прокатное оборудование, правильные устройства и гибочные модули, реализующие использование эффекта «пластического шарнира» для получения бездефектных профильных деталей, с минимальными затратами в условиях серийного производства самолетов.

  3. Разработать предложения по рациональной организации производства гнутых профилей, стрингеров, шпангоутов и других деталей из гнутых профилей в условиях современного авиационного предприятия.

Область исследований:

1. Гнутые профили для изготовления деталей панелей фюзеляжей
летательных аппаратов.

2. Производство авиационных профильных деталей на гибочно-прокатных
станкахиз листовых заготовок методом стесненного изгиба.

Объект исследований – процессы формообразования, правки и продольной гибки тонкостенных профилей в роликах и средства их реализации.

Предмет исследования – технологии производства гнутых тонкостенных профилей и профильных деталей из листовых заготовок авиационных материалов, а также гибочно-прокатное, правильное и профилегибочное оборудование и роликовая оснастка для реализации этих технологий.

Научная новизна.

  1. Разработаны технологические основы совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки тонкостенных гнутых профилей из авиационных материалов на гибочно-прокатных станках для изготовления профильных деталей каркаса самолета путем создания пластического шарнира в очаге деформации заготовки.

  2. Создан, запатентован и внедрен метод направленной потери устойчивости изгибаемой заготовки, позволяющий в процессе изготовления профилей уменьшить воздействие на плакирующий слой за счет снижения напряжений на поверхности контакта заготовки с роликами.

3. Разработаны методики и проведены экспериментальные исследования
совмещенных процессов правки и продольной гибки с использованием эффекта
«пластического шарнира» непосредственно при профилировании. Определены
энергосиловые параметры создания пластического шарнира при
формообразования, правки и продольной гибки при изготовлении профилей на
гибочно-прокатных станках. Получены зависимости геометрических
параметров сечения и радиусов изгиба профиля от технологических режимов
формообразования и продольной гибки;

4.Разработан и применен комплекс технических процедур, методов, технологий, включающих выбор ширины развертки заготовки и диаметров роликов, технические решения по гибочно-прокатному оборудованию и роликовой оснастке, использующие результаты применения эффекта «пластического шарнира» при получении тонкостенных гнутых профилей и профильных деталей из листовых заготовок труднодеформируемых авиационных материалов;

  1. Впервые получено математическое описание совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки в роликах, учитывающее пластический характер течения металла при осадке в клети окончательного формообразования (образование пластического шарнира). Экспериментально установлено, что на устойчивость процессов правки и продольной гибки влияют не только пластические свойства материала заготовки, но и параметры калибров прокатных роликов, правильных устройств и гибочных модулей, ширина листовой заготовки, скорость гибки-прокатки и другие условия образования пластического шарнира в очаге деформации заготовки в клети окончательного формообразования гибочно-прокатного станка;

  2. Впервые разработан классификатор технологических схем совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки профилей. Классификатор разработан в приложении к наиболее перспективным методам формообразования профилей: стесненный изгиб (СИ), метод направленной потери устойчивости (МНПУ). Отдельные размеры и термины по элементам гнутого профиля, гибочно-прокатного оборудования, правильным устройствам и др., введены в обиход и обоснованы впервые в работах соискателя) [20];

7. Впервые получены, на основании расчетов на ЭВМ, параметры
напряженно-деформированного состояния материала заготовок и профилей в

совмещенных процессах формообразования, правки и продольной гибки на гибочно-прокатных станках;

8. Новые технические решения по формообразованию гнутых профилей, гибочно-прокатному и профилегибочному оборудованию и технологическому оснащению подтверждают 22 авторских свидетельства и патента на изобретения.

Теоретическая и практическая значимостьработы.

Теоретическая значимость работы заключается в аналитическом описании процессов происходящих в очаге пластической деформации, а также в расчете численными методами напряженно-деформированного состояния с использованием программного продукта LS-DYNA для выбора технологических режимов совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки тонкостенных профилей на гибочно-прокатных станках

Практическая значимость работы состоит в следующем:

Обеспечение высокого качества профильных деталей, изготавливаемых по разработанной технологии, решение технологических задач по выполнению операций правки, продольной гибки гнутых профилей в роликах. Разработка отраслевой нормативно-технической документации позволили внедрить эти технологии в российское авиастроение для производства стрингеров и других профильных деталей самолетов ИЛ-114, ИЛ-103, ТУ-334, БЕ-200, АН-70 и АН-140, АН-148, ИЛ-112, МС-21.

На основе исследований и разработок освоены технологии производства около 600 типоразмеров гнутых профилей, которые внедрены в авиастроении, автомобилестроении и в других отраслях промышленности.

Объем внедрения оборудования включает несколько сот единиц, в том
числе юолее 60 автоматизированных линий профилирования и гибки.

Ежегодные поставки гибочно-прокатного оборудования, роликовой
оснастки и гнутых профилей АО «Ульяновский НИАТ» составляют от 60 до
100 млн. руб.

Методология и методы исследования.

В диссертационной работе предложено сочетание аналитического описания условий возникновения эффекта «пластического шарнира» и устойчивости процессов гибки - прокатки. Проведены расчеты на ЭВМ технологических режимов совмещенных процессов формообразования, правки и продольной гибки тонкостенных гнутых профилей учитывающих параметры роликовой оснастки, состояние материала профиля и режимы работы станка ГПС. Экспериментальные исследования осуществлялись при изготовлении опытных партий профилей для стрингеров и шпангоутов панелей фюзеляжа самолетов Ан-148, Ил-112, МС-21, при этом на гибочно-прокатный станок устанавливались дополнительные датчики и приборы. В результате измерений усилий гибки, обнаружено их значительное снижение, что подтверждает возникновение эффекта «пластического шарнира» в очаге деформаций заготовки в последней клети станка ГПС при правке и продольной гибке профиля. По полученным образцам изогнутых профилей определялись степени

деформации и параметры сечения профиля. Выполнено сопоставление расчетных и экспериментальных результатов.

Положения выносимые на защиту:

1. Технологические основы совмещенных процессов формообразования,
правки и продольной гибки тонкостенных гнутых профилей из авиационных
материалов на гибочно-прокатных станках для изготовления профильных
деталей каркаса самолета в условиях создания пластического шарнира в очаге
деформации заготовки.

2. Метод направленной потери устойчивости элементов заготовки,
позволяющий в процессе формообразования предотвращать дефекты на
поверхностях инструмента и заготовки минимизацией контактных нагрузок
иполучать бездефектные профили с заданными характеристиками.Обоснование
преимуществ данного метода в сочетании со стесненным изгибом при
формообразовании профилей из плакированных листовых заготовок [24].

3. Классификатор совмещенных процессов формообразования, правки и
продольной гибки профилей и типовых профильных деталей, позволяющий
систематизировать и производить анализ различных схем, используемых в
системах автоматизированного проектирования технологических процессов и
роликовой оснастки.

4. Математическое описание совмещенных процессов получения профилей
с заданными характеристиками элементов поперечного сечения,
прямолинейности и продольной кривизны на основе пластической деформации
в клети окончательного формообразования с использованием эффекта
«пластического шарнира»);

5. Расчеты и экспериментальные исследования напряженно-
деформированного состояния материала профиля и энергосиловых
характеристик процесса деформирования заготовки в условиях создания
пластического шарнира. Обоснование конструкций и моделей работы
правильного устройства и гибочного модуля в динамическом режиме;

6. Разработанные способы совмещенных процессов формообразования,
правки и продольной гибки профилей в роликах и технические решения для их
осуществления;

7. Эффективные технологии и специальное оборудование для производства
гнутых профильных деталей из труднодеформируемых авиационных сплавов;

8. Результаты исследований, включенных в отраслевую нормативно-
техническую документацию по изготовлению авиационных профилей;

9. Результаты разработки и внедрения оборудования и технологического
оснащения для формообразования, правки и гибки профилей в различных
отраслях промышленности.

Достоверность полученных результатов подтверждается успешной реализацией их в авиационной и других отраслях промышленности, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на использовании научно-технических методов с применением современных средств получения данных. Моделирование процессов гибки-

прокатки реализовано на программном продуктеLS-DYNA(LS-DYNA License Key for Joint Stock Company Ulyanovsky NIAT - 1464).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на технических советах НИАТ (г. Москва 1986 – 2015 гг.), отраслевом совещании МАП «Состояние и перспективы изготовления листовых профилей в изделиях отрасли» (г. Москва, 1992 г.), семинаре «Технологические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей» (г. Казань, 1993 г.), 3, 4 и 5 Всероссийских конференциях «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2000, 2001, 2002 гг.), международной конференции «Технико-экономические проблемыпромышленного производства» (г. Набережные Челны, 2000 г.), международной конференции «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2003 г.), выездном заседании Головного Совета «Машиностроение» Министерства Образования РФ (г. Ульяновск, 2003 г.), 11 Международной научной конф. «Гражданская авиация: ХХ1век» (г. Ульяновск, 2010), Международной научно-техническая конф. «Развитие фундаментальных основ материаловедения легких сплавов и композиционных материалов на их основе для создания изделий аэрокосмической и атомной техники» (ВИАМ, г. Москва, 2013, 2015, 2016 гг.), кафедре «Материаловедение и ОМД» УлГТУ и НТС АО «Ульяновский НИАТ» (г. Ульяновск, 2000 - 2016г. г.) и др.

Разработки выполнены на уровне мировых достижений в этой области. Технологии формообразования получили золотую медаль «Ассоциации содействия развитию промышленности» в Париже в 2001 г. за высокое качество продукции; в 2003 г. удостоены сертификата Парижской выставки «Сотрудничество во имя прогресса» (сертификат GPE 12/04 от 8 мая 2003 г.).

Работы автора были отмечены дипломами и сертификатами следующих выставок: 1. 10,11и 12 Международные выставки «Стройтех-2002», «Стройтех– 2003» «Стройтех –2004» г. Москва, Сокольники; 2. 2-й Международной выставки «Авиакосмические технологии и оборудование», 10 – 13 августа, 2004 года, г. Казань, 3. «Промышленные технологии для России» г.Москва МВЦ «Крокус Экспо»2009 г., 4. «Авиакосмическая техника и оборудование» г. Казань, ВК «Казанская Ярмарка», 5. «Машиностроение 2010» г. Москва, МВЦ «Крокус Экспо»;6. «Металлообработка 2011и 2013» МВК «Экспоцентр» г. Москва;7. «Инновации в авиации» выставки в рамках Международного авиатранспортного форума (МАТФ – 2013 и МАТФ – 2014), г. Ульяновск, 2013 и 2014гг и др.

Возглавляемое соискателем более 10 лет предприятие – АО «Ульяновский НИАТ» включен в Национальный реестр «Ведущие научные организации России» - Свидетельство № 10012 от 10.05.2014 г. обладает Лицензией Министерства промышленности и торговли РФ №13107-АТ от 21.10. 2016 г. на осуществление разработки, производства, испытания и ремонта авиационной техники и входит с 2009 г. в состав консорциума «Научно-образовательно-производственный кластер «Ульяновск Авиа».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 78 научных работ, в том числе более 30 статей в рецензируемых изданиях, рекомендуемых

ВАК (включая 14 статей в журнале «Авиационная промышленность»), 12 отчетов по НИОКР, монография, 22 патента на изобретения. Общее количество публикаций – более 130.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка 231 наименований и приложений. Работа изложена на 3&& страницах машинописного текста, содержит 6& рисунков, 2& таблиц и приложения на 18 страницах.