Взрывное формообразование трубчатых деталей

ВВЕДЕНИЕ

В решении задач технического перевооружения народного хозяйства на основе широкого внедрения в производство новейших достижений науки и техники, что должно привести к увеличению объема выпуска продукции, повышению ее качества и эксплуатационной надежности, снижению себестоимости [1]. Важное место принадлежит внедрению малооперационных и безотходных технологических процессов, применению многофункциональных машин и оборудования, переналаживаемых при изменении технологических процессов, позволяющих создавать гибкие автоматизированные производства [2].

В современных конструкциях летательных аппаратов и двигателей широкое применение нашли листовые и трубчатые детали из сталей и сплавов. Их основными характеристиками являются высокие прочностные, жаропрочные и антикоррозионные свойства. Сложная форма и высокие требования к точности изготовляемых изделий, а также пониженная пластичность, ставят перед специалистами в области штамповки ряд проблем по созданию принципиально новых технологических процессов и оборудования.

В отечественной и зарубежной промышленности все шире применяют методы листовой штамповки, основанные на использовании энергии взрыва бризантных веществ, пороха и взрывчатых газовых смесей, электрических разрядов в жидкости, импульсного электромагнитного поля и других импульсных энергоносителей, которые относятся к числу новых и основных методов совершенствования технологических процессов заготовительно-штамповочных цехов в производстве летательных аппаратов и их двигателей.

В становление и развитие таких методов большой вклад внесли отечественные ученые Я.Б.Зельдович, Р.В.Пихтовников, Ю.Н.Алексеев, О.Д.Антоненков, М.А.Анучин, К.Н.Богоявленский, В.К.Борисевич, М.Н.Горбунов, В.И.Завьялова, В.Г.Кононенко, В.М.Кудинов, М.А.Лаврентьев, В.Т.Мещерин, Ю.А.Навагин, И.А.Норицин, Е.А.Попов, С.М.Поляк, И.П.Ренне, О.В.Роман, В.Г.Степанов, А.Д.Томленов и зарубежные Дж.Райнхарт, Дж.Пирсон, Р.Коул, П.В.Бриджмен, В.Джонсон, Г.Хадсон, Р.Кечч.

Высокоскоростная обработка металлов с использованием импульсных нагрузок получает все большее распространение в области листовой штамповки и штамповки тонкостенных деталей из труб благодаря ряду основных преимуществ высокоскоростного деформирования: отсутствие пружинения при обработке большинства труднодеформируемых материалов; увеличение предела прочности некоторых металлов почти на 50% и увеличение предела текучести ряда сталей при сжатии почти на 300%; повышенное упрочнение по сравнению с холодной прокаткой при одинаковой степени деформации; повышенная точность изготовления деталей, которые экономически не выгодно или физически невозможно формовать другими методами.

Отличительной чертой высокоскоростных способов штамповки является также то, что при их применении отпадает надобность в прессовом оборудовании, которое необходимо при осуществлении любых способов штамповки. В качестве технологической оснастки здесь необходима лишь матрица или пуансон, а роль ответной части штампа, в частности, играет передающая среда, в которой производится взрыв и через которую энергия взрыва в виде ударной волны воздействует на заготовку, деформируя ее по форме инструмента (пуансона или матрицы). Такой технологический процесс универсален и для него не требуется длительная подготовка производства, поэтому высокоскоростные высокоэнергетические способы применяются для штамповки деталей, изготовление которых другими методами при опытном и мелкосерийном производстве нецелесообразно.

В производстве современных газотурбинных двигателей до 15% от общей трудоемкости изготовления двигателя занимает изготовление деталей из трубчатых заготовок. Кроме того, одним из важнейших параметров надежности двигателя является надежность работы трубопроводных систем, и, прежде всего, обеспечение надежного соединения трубопроводов.

Соответствующие методы изготовления трубчатых деталей и соединений трубопроводов, особенно в связи с применением новых высокопрочных труднодеформируемых сталей и сплавов, имеют существенные недостатки, связанные с экспериментальной обработкой параметров формообразования из-за возможного разрушения заготовки в процессе деформирования, а также с наличием большого объема ручных доводочных работ.

Поэтому весьма актуальным является создание технологических процессов и оборудования, исключающих имеющиеся недостатки.

ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Все способы штамповки взрывом можно разделить на две группы. К первой группе относятся те способы, при которых заряд взрывчатого вещества (ВВ) располагается на расстоянии от заготовки. При таких бесконтактных операциях энергия заряда выделяется на некотором расстоянии от обрабатываемой детали и распространяется преимущественно в виде импульса давления через промежуточную среду. Максимальные удельные давления на деталь достигают значений (102ч104) МПа, причем большинство технологических операций выполняются при нижнем пределе давлений. Рабочее время обычно измеряется миллисекундами, а скорости перемещения металла десятками метров в секунду. Разгон и последующая деформация заготовки определяются главным образом внешними силами. Волны напряжений и деформаций в металле в этом случае весьма незначительны или совсем отсутствуют. Формообразование связано, в основном, с действием волны давления.

Ко второй группе относятся так называемые контактные способы штамповки, при которых заряд ВВ располагается непосредственно на поверхности заготовки. Давления, действующие в этом случае на поверхность заготовки, достигают 105 МПа, а рабочее время измеряется микросекундами. Величина импульса давления зависит от соотношения размеров заряда и заготовки и взаимного из расположения. При большинстве контактных операций в заготовке возникают неустановившиеся волны напряжений высокой интенсивности, которые распространяются в металле. Формообразование металла при таких операциях связано как с непосредственным воздействием приложенных нагрузок, так и с последующим воздействием вторичных волн напряжений.

В качестве источника энергии пери штамповке взрывом используются: детонирующие (бризантные) взрывчатые вещества – тротил порошкообразный и литой, аммоний порошкообразный и прессованный, тринитролезол, тетрил, пентолит и жидкие ВВ; пороха - пироксилиновые, нитроглицериновые, дымные.

Бризантные ВВ отличаются большой удельной концентрацией энергии и большими скоростями детонации до 7000 м/сек. [3], поэтому превращение вещества в газообразные продукты и исчисляется микросекундами; давления же у поверхности заряда могут доходить до 2 ∙ 105 МПа.

Пороха относятся к горящим взрывчатым веществам: горение распространяется со скоростью 1-3 м/сек. Образующиеся при сгорании пороха газы, расширяясь, оказывают давление на передающую среду или непосредственно на заготовку, производя полезную работу деформирования.

Наибольшее применение в настоящее время получила штамповка взрывом с использованием воды в качестве среды, передающей давление от заряда ВВ к заготовке (гидровзрывная штамповка).

Известно несколько способов (схем) гидровзрывной штамповки. Традиционная схема штамповки показана на рисунке 1-а [3]. Штампуемую листовую заготовку 1 укладывают на матрицу 6 и прижимают к ее фланцу с помощью прижимного кольца 5. на определенном расстоянии над заготовкой и установленным над ней зарядом опускают в бассейн 3 с водой 4. часть энергии, высвобождаемой под действием высокого давления деформируется, принимая форму матрицы. Для того чтобы воздух не препятствовал перемещению заготовки, происходящему с большой скоростью, что могло бы отразиться на качестве готовой детали, рабочую полость матрицы под заготовкой вакууммируют с помощью вакуумной системы 7.

Возможны две разновидности способа штамповки взрывом в бассейне. В первом случае площадь зеркала бассейна практически равна площади заготовки, благодаря чему вся энергия ударной волны используется для формирования заготовки. Во втором случае площадь зеркала бассейна значительно превышает площадь заготовки, и заготовка в своем формоизменении как бы нагружается дважды: сначала прямой ударной волной, а после – отраженной от стенок бассейна.

При формообразовании – раздаче трубчатых заготовок (рис. 1-б) воду заливают непосредственно внутрь заготовки, куда помещают затем также и заряд ВВ.

Для изготовления небольших партий деталей часто вместо стационарного бассейна используют разовые емкости с водой, разрушаемые при взрыве (рис. 1-в). Такую емкость, изготовленную из картона или тонколистового металла, устанавливают непосредственно на матрицу и заполняют водой, в которой и осуществляют взрыв заряда ВВ.

Если детали типа днищ просты по форме и не требуют высокой точности изготовления, то вместо матрицы иногда применяют упрощенную оснастку, состоящую из вытяжного и прижимного колец (рис. 1-г), между которыми размещают штампуемую заготовку. возникающий при подрыве заряда импульс давления большой интенсивности распространяется в жидкости с высокой скоростью и воздействует на заготовку. В районе расположения заряда образуется газовый пузырь, который, пульсируя (расширяясь и сжимаясь), вызывает дополнительные импульсы давлении; величина последних меньше основного импульса давления. Во время пульсации газовый пузырь перемещается поверхности жидкости, а оставшаяся энергия пузыря выделяется в атмосферу. Это явление сопровождается выплеском жидкости. По данным Коула [4], при подрыве заряда ВВ примерно 60% выделившейся энергии приходится на основной импульс давления, 25% - на первые колебания газового пузыря и остальные 15% - на последующие. Приведенные величины могут изменяться в зависимости от размера заряда и типа ВВ. однако энергия, которая преобразуется в механическую работу деформации, находится в зависимости от размера заряда и типа ВВ. Однако энергия, которая преобразуется в механическую работу деформации, находится в зависимости от взаиморасположения заготовки, заряда и поверхности жидкости, так как газовый пузырь для каждого заряда имеет вполне определенные размеры. проведенные исследования показали, что при размещении заготовки на расстоянии меньше радиуса газового пузыря можно добиться увеличения энергии формообразования на 60 – 80%.

При подрыве заряда на относительно небольшой глубине газовый пузырь разбивается о поверхность жидкости. Образующиеся при этом отраженные ударные волны ослабляют импульс давления, идущий к заготовке. Поэтому глубину погружения заряда применяют больше максимального радиуса газового пузыря, который соответствует первому периоду колебаний.

Штамповка взрывом производится в специальных установках [3ч21,24], представляющих собой подземные или наземные бассейны, оборудованные подъемно-транспортными средствами, вакуумными установками и соответствующей аппаратурой управления и контроля. Стенки бассейнов (вертикальные и наклонные) бетонируют и облицовывают листовой сталью.

Стенки и дно бассейнов изолированы энергопоглощающими средами для предотвращения распространения ударной волны на фундаменты близко расположенных зданий [19,21ч24]. В таких бассейнах можно штамповать детали диаметром в несколько метров.

В открытых бассейнах заготовка деформируется со скоростью до 30 – 50 м/сек., а в зонах прилегания к кромкам матрицы местные скорости деформирования могут достигать 100 – 150 м/сек. [4]

Высокие скорости деформирования и удельные давления обеспечивают получение точных, фактически откалиброванных деталей, что снижает до 60% объем трудоемких ручных доводочных работ.

Рис. 1. Основные схемы штамповки взрывом бризантных ВВ:

а – гидровзрывная штамповка в стационарном бассейне;

б - гидровзрывная штамповка детали из трубчатой заготовки;

в - гидровзрывная штамповка в съемном бассейне (разовой емкости);

г - гидровзрывная штамповка на упрощенной оснастке.

В ряде случаев при изготовлении крупногабаритных деталей обычными способами из-за недостаточной мощности применяемого оборудования или сложной конструктивной формы деталь расчленяется на отдельные заготовки, которые после формообразования подгоняются и свариваются, образуя замкнутый контур.

Взрывной штамповкой [25] избегается расчленение, так как взрывчатое вещество заменяет всю энергетическую систему, создает более высокие давления, действующие на практически неограниченную площадь обрабатываемого изделия. Благодаря этому резко снижаются затраты на капитальное оборудование и доводочные работы.

Одним из преимуществ взрывной штамповки является сокращение цикла технологической подготовки производства в 3 - 5 раз при освоении новых изделий или случае мелкосерийного производства за счет применения дешевой, с небольшой трудоемкостью изготовления, оснастки [3,6ч8, 17ч22, 26ч40, 164ч167].

С помощью гидровзрывной штамповки можно осуществлять и формообразование нагретого металла. Схема одной из установок [41], предназначенных для этих целей, показана на рис. 2.

Матрица, состоящая из 2-х половин 1, размещена в корпусе 2. заготовку прижимают в матрице с помощью кольца 4 и клинового устройства 10. воду 7 наливают в резиновый мешок 8, между стенками которого и пиротехническим составом 11 укладывают асбест 9. заряд 6, смонтированный из листового и шнурового ВВ, повторяет форму заготовки. Шнур 5 используют для воспламенения пиротехнического состава, с помощью которого нагревают заготовку. По этой схеме штампуют детали из молибденового сплава.

Штамповка предварительно нагретых заготовок осуществима также в установках, использующих схему «метания воды», при которой заготовка перед штамповкой отделена от воды воздушным зазором [42]. При этом заготовку можно нагревать либо непосредственно в установке электроконтактным способом, либо в нагревательном устройстве с последующей подачей в установку.

Рис. 2. Схема установки для гидровзрывной штамповки с нагревом.

При штамповке деталей незамкнутого контура, а также при штамповке труднодеформируемых металлов с нагревом в некоторых случаях в качестве среды, передающей давление от заряда ВВ к заготовке, применяют песок [43, 168]. Возможные схемы процесса указаны на рис. 3.

В матрицу 4 с уложенной на нее заготовкой 1 засыпают песок 3, в котором осуществляют взрыв заряда ВВ 2 (рис. 3-а). Согласно другим схемам требуемую форму деталей получают штамповкой по пуансону 5, причем заготовка может быть как плоской (рис. 3-б), так и предварительно сваренной в виде конструкции сложной формы (рис. 3-в).

Песок обычно засыпают в разрушаемую (разовую) емкость, причем засыпку песка осуществляют до высоты расположения заряда ВВ. После этого устанавливают заряд и продолжают заполнять емкость песком поверх заряда. Песок для штамповки должен обладать мелкой однородной структурой. При штамповке без нагрева деталей применяют увлажненный песок. Свойства песка, его плотность, влажность и размер зерен непосредственно влияют на силовые параметры процесса штамповки.

Рис. 3. Схемы штамповки взрывом в песке:

а – штамповка в матрице;

б – штамповка деталей из плоской заготовки по пуансону;

в – штамповка деталей сложной формы из заготовки – конические трубы.

На рисунке 4-а [44] показана схема установки для штамповки вольфрамовой заготовки 3, нагретой горячим песком 8, одновременно служащим и передающей средой. Песок предварительно нагревают в печи, а затем насыпают на заготовку, закрепленную в штампе 1-2. штамп также предварительно нагревают в печи или горелками. Для того чтобы штамп быстро не остывал, его помещают в контейнер 9 с горячим песком. На горячий песок, расположенный над заготовкой, укладывают асбестовый круг 4, на который затем устанавливают заряд ВВ 7, снабженный электродетонатором, после чего в емкость засыпают холодный песок 6.

Эффективна взрывная штамповка, сочетаемая с нагревом заготовки с помощью нанесенного на ее поверхность порошкообразного пиротехнического состава, размещенного в 2-х процентном растворе нитропленки [45]. Нанесенный на заготовку пиротехнический состав поджигают огнепроводным шнуром или электровоспламенителем, после чего через определенный промежуток времени взрывается заряд ВВ. На рисунке 4-б показана схема взрывной штамповки вольфрамовой заготовки 1, нагреваемой пиротехническим составом 2 с использованием в качестве передающей среды песка 4, насыпаемого поверх асбестовой прокладки 3. Температура нагрева заготовки через 25 секунд после воспламенения пиротехнического состава достигает 940 - 1000° С. Поверхности деталей после штамповки практически не имели следов окисления.

Из анализа следует, что использование бризантных взрывчатых веществ для формообразования трубчатых заготовок, особенно малого диаметра, по приведенным схемам холодной и горячей штамповки, в частности из-за высоких удельных давлений, оказывается затруднительным.

Рис. 4. Схемы взрывной штамповки с нагревом:

а – горячим песком;

б – пиротехническим составом.

Взрывная штамповка порохами может быть осуществлена только в закрытых емкостях. При этом энергия передается заготовке непосредственно, либо через промежуточную среду. Непосредственное воздействие давления пороховых газов применяют, в основном, для раздачи и калибровки полых деталей из заготовок цилиндрической, конической и бочкообразной формы [46]. Формоизменение осуществляется в разъемной матрице, причем заряд пороха, размещенный внутри полой заготовки, оказывается в замкнутом объеме, ограниченном ее стенками и заглушками, закрывающими оба торца матрицы.

Большое распространение получила и штамповка с использованием давления пороховых газов на листовую заготовку через передающую среду (воду, резину и др.) [47]. Наличие между зарядом пороха и листовой заготовкой упругой передающей среды способствует более равномерному распределению давления по заготовке в процессе формообразования и предохраняет поверхность металла от повреждения и загрязнения пороховыми газами.

Конструкция одной из установок для штамповки давлением, образующимся при сгорании порохового заряда, показана на рис. 5.

Установка состоит из двух основных частей – подвижной верхней и неподвижной нижней. В корпусе 1 верхней части установки находится камера, заполненная водой 3, над которой размещен пороховой заряд 2 в патроне. Матрица 8 с вытяжным кольцом 6 установлена в матрицедержателе 7 нижней части установки. Воздух из формующей полости матрицы удаляется с помощью системы вакуумирования 9. Между верхней и нижней частями установки находится уплотнительная прокладка 4. Давление газов, образующихся при сгорании пороха, передается через воду штампуемой заготовке 5, вызывая ее деформацию. Поскольку масса подвижной части установки значительно превышает массу штампуемой заготовки, процесс деформирования успевает закончится до начала перемещения корпуса 1 вверх под действием сил реакции. Как только верхняя часть установки начинает перемещаться, камера открывается, и давление в ней падает.

Рис. 5. Схема установки для штамповки давлением пороховых газов.

Наибольшее применение в отечественной промышленности получили установки на пороховом энергоносителе, называемые пресс-пушками (рис. 6) [48,169], малогабаритные устройства [134].

Рис. 6. Схема пресс-пушки на пороховом энергоносителе.

Установка работает следующим образом. При спуске ударного механизма 1 происходит накол капсюля-воспламенителя порохового заряда 2, размещенного в патроннике 3 казенной части ствола и закрытого затвором 4. При достижении в патроннике определенного давления срезается чека 5 или освобождаются специальные фиксаторы, и снаряд 6 под действием давления пороховых газов с большой скоростью перемещается по гладкому стволу канала 7 и ударяет по жидкости 9, находящейся в переходнике 10, соединенном со стволом центрирующей муфтой 8. При этом кинетическая энергия движущегося снаряда сообщается жидкости, которая осуществляет деформирование заготовки 11 в матрице 12. С помощью различной технологической оснастки, присоединяемой к переходнику ствола, на пресс-пушке осуществляют операции раздачи и формообразования деталей из трубчатых цилиндрических и конических заготовок, штамповку-вытяжку деталей из плоских заготовок, калибровку, пробивку отверстий и многие другие листоштамповочные операции. На пресс-пушках возможна также и объемная штамповка.

По отношению к трубчатым деталям схема пресс-пушки является наиболее эффективной и используется автором для создания оборудования.

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ

ШТАМПОВКА

Наряду со штамповкой взрывом все большее применение находит штамповка высоковольтным электрическим разрядом в жидкости (электрогидравлическая, электроимпульсная штамповка).

Формование деталей электрогидравлическим способом характеризуется мощным кратковременным электрическим разрядом в жидкой среде, которая создает ударную волну, воздействующую на заготовку [25, 43, 49, 170ч181].

На рисунке 7 показана схема установки для электрогидравлической штамповки. Переменный ток трансформируется в ток более высокого напряжения, затем пропускается через выпрямитель 9 и попадает в так называемый разрядный контур, состоящий из конденсаторов 2 и рабочего искрового зазора между электродами 4, находящимися в резервуаре 5 с водой. Как только на конденсаторах достигается потенциал определенной величины, происходит пробой зазора в воздушном разряднике 3 и накопленная в конденсаторах электроэнергия очень быстро выделяется в виде искрового разряда в рабочем зазоре между электродами. Мощный искровой разряд подобен взрыву. В результате разряда в жидкости возникает ударная волна, которая, дойдя до заготовки 8, удерживаемой прижимным кольцом 6, оказывает на нее силовое воздействие и осуществляет деформирование заготовки по матрице 7. Если для полного деформирования заготовки одного импульса недостаточно, то рабочий цикл может быть повторен. Как и при штамповке взрывом, под заготовкой в полости матрицы создается вакуум. Электрогидравлическая штамповка применяется на многих операциях листовой штамповки для изготовления таких небольших и средних размеров (до 1000-1500 мм, толщиной до 3 мм) деталей, как различные элементы жесткости, окантовки, полупатрубки, законцовки, обечайки, обтекатели и т.д. Процесс отличается импульсным характером и высокой скоростью приложения нагрузки. Конденсаторы разряжаются в течение 40-50 мксек. и выделяют электроэнергию огромной мощности, исчисляемой миллионами джоулей в секунду; в рабочем промежутке разрядника возникают давления, равные сотням МПа; ударная волна, распространяющаяся в жидкости с высокой скоростью, несет в себе большую энергию, часть которой расходуется на полезную работу деформирования.

С точки зрения физической сущности силового воздействия на заготовку электрогидравлическая штамповка аналогична штамповке взрывом в воде. Изменять форму ударной волны в этом случае можно путем изменения взаимного расположения электродов и применения так называемой инициирующей проволочки, которая соединяет электроды в рабочем зазоре разрядника. В зависимости от того, применяется или не применяется инициирующая проволочка, электрогидравлическая штамповка разделяется на два способа [49ч50, 182ч184].

Рис. 7. Схема установки для электрогидравлической штамповки.

Если электроды соединены проволочкой [51], то при разряде компенсаторов вследствие большой мощности выделяемой энергии «взрывается» проволочка, по которой проходит ток в несколько тысяч ампер, и превращается в пар за время, исчисляемое микросекундами. При этом вдоль оси проволоки возникает газовый канал с огромным давлением, обуславливающим мгновенное расширение паров и возникновение мощной ударной волны, которая аналогична волне, возникающей при подрыве заряда линейной формы. Взрывающаяся проволочка дает возможность управлять направлением и формой ударной волны. Применение инициаторов разряда в виде проволочки (из алюминия, вольфрама, танталя, плотия и других металлов) позволяет, кроме того, в несколько раз уменьшить рабочие напряжения [52]. Но следует заметить, что подключение проволочки к электродам удлиняет рабочий цикл.

При изготовлении деталей из листовых материалов получили распространение прессы для электрогидравлической штамповки, разработанные НИАТ [53]. На рисунке 8 представлены прессы и установки различной мощности, наиболее широко используемые в авиационной промышленности.

С целью дальнейшей интенсификации процесса электрогидравлической штамповки [54] проведены работы по штамповке с нагревом. На рисунке 9 представлена схема технологического блока пресса ПЭГ – 60 модернизированного для штамповки с нагревом [Р5]. разрядная камера 1 с установленным электродом 2 отделена от заготовки 9 резиновой диафрагмой 3, прижимным кольцом 13 с вмонтированным в него теплоизоляционным слоем 4 и теплоизоляционной прокладкой 14. Матрица 7, установленная на столе пресса 8, имеет съемное кольцо 12, в котором смонтирована спираль для нагрева 10, изолируемая от корпуса матрицы кольцом 6.

Съемное кольцо с целью исключения теплопотерь защищено теплоизоляционным слоем 5, помещенным в кожухе 11. Проведенная работа по штамповке с нагревом, особенно таких титановых труднодеформируемых сплавов как ВТ – 20, показана большие возможности расширения области использования электрогидравлической штамповки.

Требования к технологической оснастке при электрогидравлической штамповке примерно такие же, как и при штамповке взрывом. Для крупносерийного производства или для штамповки деталей с калибровкой, матрицы и другие элементы установок должны быть выполнены из прочных сталей. Для опытного и мелкосерийного производства можно применять более дешевые и легко обрабатываемые материалы.

Главными недостатками электрогидроимпульсной штамповки являются ограниченная энергоемкость установки, невысокая стойкость электродов, большое рассеивание энергии ударной волны.

Рис. 8. Прессы и установки для электрогидравлической штамповки листовых деталей летательных аппаратов и их двигателей.

Рис. 9. Схема технологического блока пресса ПЭГ – 60, модернизированного для электрогидравлической штамповки с нагревом.

Электросхема установок для электромагнитной штамповки аналогична электросхеме установок для электрогидравлической штамповки, однако, принцип преобразования электрической энергии, накопленной в конденсаторах, в необходимую для штамповки механическую энергию отличается. Электромагнитная штамповка основана на преобразовании электрической энергии в механическую за счет импульсного разряда конденсаторов через соленоид, вокруг которого при этом возникает магнитное поле высокой мощности, наводящее вихревые токи в трубчатой или листовой токопроводящее заготовке. взаимодействие вихревых токов с магнитным полем создает механические силы, которые производят деформирование заготовки по пуансону или матрице. На рис. 10 – 13 приведены схемы формоизменения с помощью импульсных магнитных полей [43, 56ч65, 185ч191].

Рис. 10. Основные схемы магнитно-импульсного формоизменения.

Рис. 11. Концентрация магнитного потока в двух зонах АА круглой заготовки:

1 – индуктор;

2 – конденсатор;

3 – заготовка.

Применяемые для электромагнитной штамповки установки приспособлены, главным образом, для деформирования трубчатых заготовок и изготовления различных соединений труб, однако главным недостатком электромагнитной штамповки является низкая стойкость индукторов. Из проведенного анализа в области динамических высокоскоростных процессов с применением разных энергоносителей видно, что использование пороховых установок для формообразования деталей из листовых заготовок и труб является одним из важных направлений в области машиностроения.

Рис. 12. Раздача трубчатой заготовки путем импульсного пропускания тока:

1 – заготовка; 2 – токопроводящий стержень; 3 –изоляция.

Рис. 13. Принципиальная схема магнитно-импульсной штамповки через промежуточную среду (воду): 1 – корпус; 2 – индуктор; 3 – поршень; 4 – вода; 5 – заготовка; 6 – матрица.

АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

В процессе формообразования деталей из трубчатых заготовок, материал последних испытывает напряженно-деформированное состояние, которое может приближаться к критическому. Для ведения процессов необходим предварительный анализ теоретических расчетов с целью подборки эффективного метода.

В последнее время в строительной механике пластинок и оболочек находит широкое применение для расчетов напряженно-деформированного состояния метод конечных элементов (МКЭ), сводящийся к аппроксимации сплошной среды с бесконечным числом степеней свободы совокупностью подобластей или элементов, имеющих конечное число степеней свободы [66]. В качестве элементов для плоских заготовок применяют треугольники, а для пространственных тетраэдры. В осесимметричных оболочках вращения конечными элементами могут быть части оболочки, образованные из исходной сечениями, перпендикулярными к ее оси вращения.

Внутри каждого элемента задаются функции формы, позволяющие определить перемещения точек элемента по перемещениям в узлах. За координатные функции принимаются функции, тождественно равные нулю, всюду, кроме одного конечного элемента, внутри которого они совпадают с функциями формы. В качестве неизвестных коэффициентов метода Ритца (МКЭ часто трактуется как метод Ритца) берутся узловые перемещения. После минимизации функционала энергии получается алгебраическая система уравнений (основная система), которая может быть решена методами вычислительной математики на ЭВМ.

Расчету больших динамических упругопластических деформаций типа балок и колец методом конечных элементов с учетом упрочнения и зависимости характеристик материала от скорости деформации посвящены работы [66, 68].

Проблемам пластического течения тонколистового металла при импульсном формообразовании посвящены работы [69ч71]. В этих работах рассматриваются процессы импульсного формообразования тонколистовой заготовки в круглое вытяжное окно матрицы; соотношения между скоростями движения заготовки, деформациями и перемещениями; между скоростями пластических волн изгиба и растяжения, определено их равенство. Дан способ оценки критической скорости удара, превышение которой приводит к вырубке металла вместо формообразования. Процессы деформирования заготовок описываются системой дифференциальных уравнений.

Большое количество работ посвящено теоретическим вопросам геометрически нелинейной теории упругости в применении к тонким осесимметричным оболочкам [72ч85].

Методы решения физически нелинейных задач теории пластичности и общие вопросы теории пластичности рассмотрены в работах [66, 86ч114].

Инженерные методы исследования ударных процессов, динамика сооружений, расчет их на действие кратковременных сил, колебания деформируемых систем представлены в работах [115ч121].

В монографии [122] учитывается геометрическая нелинейность при решении задач механики сплошных сред методом конечных элементов без учета физической нелинейности и в статической постановке.

Методы решения систем алгебраических уравнений, к которым сводятся задачи, описываемые конечно-элементными моделями в линейной постановке, предложены в работах [123, 124].

Вопросы динамической штамповки местных отбортовок и законцовок на трубах большой длины импульсным методом рассмотрены в работе [125].

Алгоритм расчета динамического поведения плоской заготовки с учетом различных граничных условий, а также представлением материала заготовки упругопластическим с деформационным упрочнением в зависимости от скорости деформации, предлагается в исследованиях [126].

В работе [127] разработан общий вид уравнений связи напряжений и деформаций в материале при одноосном напряженном состоянии с учетом влияния скорости деформации и истории предшествующего нагружения. Здесь же используются квазистатические экспериментальные результаты о механическом поведении материала для описания высокоскоростного нагружения.

В работах [128ч132] учтены физическая и геометрическая нелинейности при решении задачи импульсного упругопластического деформирования плоской заготовки методом конечных элементов. Здесь же учитываются и другие факторы нагружения и поведения металла при динамическом воздействии: утонение, произвольная диаграмма напряжений-деформаций, инерционные силы, сложность нагружения, начальные деформации и напряжения.

Однако в последних работах решения получены только для деталей из плоских заготовок. При формировании заготовок из труб задача усложняется, так как необходимо применять другие конечные элементы, требуется более простой учет физической нелинейности для улучшения сходимости физически нелинейного решения, изменяются граничные и начальные условия.

В работе [133] с точки зрения механики деформируемого твердого тела рассмотрена безмоментная цилиндрическая оболочка. Траектория деформирования, построенная в двумерном пространстве А.А.Ильюшина, сохраняет квазилинейный характер до интенсивностей деформацией порядка 25%. Затем траектории искривляются, что указывает на необходимость корректировки определяющих соотношений. В той же работе отмечается, что в меньшей степени исследованы постановки и решения задач при нестационарном (с изменением характеристики процесса в точках Эйлерова пространства) конечном формоизменении с учетом упрочнения материала. В работе применен метод конечных элементов.

Анализ, приведенных в данном параграфе работ, показывает, что при определении технологических параметров взрывного способа формообразования деталей из трубчатых заготовок на основе рассмотрения динамики и напряженно-деформированного состояния заготовки-детали можно применить наиболее мощный метод численного анализа – метод конечных элементов, который требует своего дальнейшего развития применительно к рассматриваемому классу задач.

НОМЕНКЛАТУРА ТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД

В конструкциях современных газотурбинных двигателей, особенно большого ресурса, широкое применение получили детали из листовых и трубчатых заготовок, изготавливаемые из высокопрочных нержавеющих и титановых сплавов [64].

На рисунке 14 изображен схематический разрез газотурбинного двигателя семейства НК-8, используемого для самолетов Ту-154, Ил-62 и Ил-86.

Рассмотрим номенклатуру двух наиболее распространенных групп деталей, занимающих до 15% от трудоемкости изготовления всего двигателя: трубчатые соединения (рис. 14-а) и трубчатые детали, получаемые из листовых заготовок (рис. 14-б).