DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций


Исследование процесса чистовой пробивки толстолистовых заготовок при изготовлении деталей летательных аппаратов

Хтайк Сан Вин, 12.01.2010

 

Актуальность проблемы. В конструкции летательных аппаратов широко используются заклепочные и болтовые соединения. Болтовые соединения являются одним из наиболее широко применяемых видов механических точных соединений. В конструкции тяжелого самолета их число достигает 150…200 тыс. штук. К технологическим факторам, определяющим ресурс заклепочных и болтовых соединений, относятся:

- точность выполнения отверстий;

- качество поверхностного слоя отверстий;

- степень точности выполнения заданных осевых и радиальных натягов;

-состояние контактных поверхностей.

В настоящее время получения качественных отверстий осуществляется чаще всего механической обработкой (сверлением в несколько переходов, зенкерованием, развертыванием или протяжкой). Поэтому трудоемкость обработки отверстий весьма высока. Более высокая производительность труда обеспечивается при использовании процесса пробивки. Однако процесс пробивки, в свою очередь, обладает недостатками: или не обеспечивается требуемое качество отверстия, или требуется сложное специальное штамповое оснащение. Поэтому разработка новых способов пробивки отверстий, обеспечивающих требуемое качество при использовании простой оснастки, является актуальной.

Цель работы: Повышение производительности труда и упрощение технологического оснащения.

Указанная цель может быть достигнута при использовании разработанного и исследованного нового способа чистовой пробивки отверстий на прессах простого действия, совмещающего последовательно выполняемые на одном рабочем месте операции механической обработки и обработки давлением. Повышение качества пробиваемых отверстий обеспечивается при создании высоких гидростатических давлений в результате нанесения концентратов на поверхности заготовки.

Научная новизна. В работе предложен и исследован новый способ создания высокого гидростатического давления в зоне среза путем увеличения усилия пробивки в результате предотвращения образования скалывающих трещин со стороны матрицы и увеличения объема материала заготовки, вовлекаемого в пластическую деформацию благодаря наличию концентраторов в зоне отверстия.

Концентраторы выполняются предварительно с использованием инструмента типа центробора или трубчатой фрезы, выполняющей и функции пуансона.

Исследован механизм разрушения материала заготовки в зоне отверстия при использовании пуансонов с плоским и ступенчатым торцом.

При использовании метода линий скольжения получены поля и аналитические выражения, позволяющие оценить напряженное и деформированное состояние при срезе, а также положение поверхности среза, что оказывает значительное влияние на качество пробивки.

Установлено, что механизм отделения отличается от традиционного. Если при обычной пробивке у режущих кромок пуансона и матрицы появляются трещины, которые растут и соединяются, что и является причиной разделения, то в предлагаемом способе разделение происходит в результате сдвига одной части заготовки относительно другой, чему предшествует значительная пластическая деформация.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использован метод линий скольжения решения задач листовой штамповки. Решения прикладных задач находились с помощью точных и приближенных аналитических методов и методов численного анализа. Выполнено значительное количество экспериментальных работ, позволивших выбрать оптимальные условия

Основные научные результаты. На основании теоретического и экспериментального изучения характера деформирования при пробивке определены основные параметры чистовой пробивки при различных формах и глубинах концентраторов, а также разных формах режущей кромки пробивного

Впервые при анализе процесса пробивки получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать положение поверхности разделения и, следовательно, качество отверстия.

Достоверность результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, основанного на интегралах Генки, апробированных методов технических измерений и удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с предсказанными теоретическими исследованиями.

Практическая ценность работы. Разработан и исследован новый процесс получения качественных отверстий при последовательном выполнении операции механической обработки и обработки давлением. Установлено, что новый процесс имеет высокую производительность, низкую стоимость благодаря использованию простой оснастки и обеспечивает высокое качество отверстий. Благодаря наличию концентраторов, устраняется утяжина со стороны пуансона и заусенцы со стороны матрицы. Так как момент отделения наступает при достижении больших усилий при значительном внедрении пуансона в заготовку, в зоне среза создаются большие гидростатические давления, что приводит к существенному повышению качества поверхности.

Разработана конструкция штампа, позволяющая совместить операции механической обработки и пробивки при использовании прессов простого

Апробация работы. Основные результаты диссертации апробированы на Международной молодежной конференции «XXXII Гагаринские чтения» в 2006 г., «XXXIII Гагаринские чтения» в 2007 г., «XXXIV Гагаринские чтения» в 2008 г., XXXII Академических чтений по космонавтике. Москва, январь - февраль 2008 г.

Публикации по теме исследования. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, иллюстрирована 4 фотографиями и 25 рисунками. Список литературы включает 50 наименований.

Содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, научная новизна, дана общая характеристика работы, указанны применяемые методы исследований, излагается краткое содержание и формулируется цель работы.

В Первой Главе приведены результаты предшествующих исследований по изучению напряженно-деформированного состояния при пробивке и вырубке, а также существующие способы повышения качества деталей, получаемых при выполнении этих операций. На основе предшествующих исследований в соответствии со схемой разрушения пластичного металла можно представить, что процессы резки, пробивки и вырубки штампами протекают в три стадии следующим образом (рис.1).

Рис. 1. Схема пробивки металла штампом и образующееся при этом напряженно-деформированное состояние (?— напряжения, ?—деформации)

Первая стадия — упругая деформация и начало пластической деформации; пуансон вначале производит сжатие металла, появляется упругий прогиб, и металл слегка выдавливается в отверстие матрицы.

Вторая стадия — развитие пластической деформации; вблизи режущих кромок пуансона и матрицы создается концентрация напряжений, которая вызывает течение металла и образование зоны смятия. Это местное смятие будет развиваться до тех пор, пока по всей толщине металла не возникнут напряжения, достаточные для возникновения линий скольжения, которые, в свою очередь, образуют узкую пластическую зону в виде параллелепипеда (при отрезке) или объемное кольцо (при вырубке круглых деталей). В результате этих явлений развивается деформация сдвига, сопровождаемая изгибом и растяжением волокон, особенно при большом зазоре (свыше 20% для материалов толщиной до 10 мм), вплоть до начала образования скалывающих трещин.

Третья стадия — разделение металла; при дальнейшем опускании пуансона в момент, когда давление его будет соответствовать максимальному напряжению — сопротивлению срезу (сдвигу), в металле у режущих кромок штампа появляются скалывающие трещины, после чего происходит полное отделение вырубаемого (пробиваемого) контура.

Так как пуансон имеет меньшие размеры, чем матрица, образуется й зазор. В случае нормального зазора между пуансоном и матрицей скалывающие трещины, возникающие у режущих кромок пуансона, совпадают со скалывающими трещинами, возникающими у режущих кромок матрицы. На рис. 2 приведена схема распределения напряжений при пробивке отверстий, установленная оптическим методом, на которой изображены линии равных по величине напряжений. Численные значения напряжений (в кг/смг) увеличиваются по направлению к режущим кромкам, так что непосредственно у режущих кромок концентрируются максимальные касательные и нормальные напряжения, превосходящие прочность материала и вызывающие образование скалывающих трещин.

Рис. 2. Распределение напряжений в материале при пробивке

отверстий по Е. Баху:

——— нормальные сжимающие напряжения;

--------- касательное скалывающие напряжения;

— -- — траектория наибольших нормальных напряжении;

— — —траектория наибольших касательных напряжении

В результате действия нормальных напряжений происходит местное изменение структуры металла, что подтверждается металлографическим исследованием макро- и микроструктуры.

Показано, что для улучшения качества отверстия (точности размеров, чистоты поверхности ее качества) используют дорнование отверстий, что является разновидностью операции калибровки, где в качестве инструмента используются специальные дорны. Процесс заключается в проталкивании инструмента через обрабатываемое отверстие, имеющее меньшие размеры. При этом происходит смятие гребешков поверхности, упругая деформация всего изделия и пластическая деформация металла у поверхности отверстия.

Наиболее часто используются следующие способы повышения качественных характеристик.

При комбинированной пробивке используется пуансон, имеющий ступенчатую форму. Матрица остается такой же, как при обычной пробивке. Нижний торец пуансона образует с матрицей максимальный зазор, верхний торец - минимальный зазор.