CC BY
371
УДК 621.983.44
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА МЕТОДОМ
РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ
В.М. Чернов
Рассмотрен процесс многопроходной ротационной вытяжки тонкостенных оболочек. Выявлены технологические признаки различных этапов формообразования, определены возможные дефекты и способы их предупреждения
Ключевые слова: гибкое производство, авиастроение, обработка металлов давлением, ротационная вытяжка
Оболочечные детали, из которых состоит конструкция самолета, имеют самые разнообразные формы и размеры. Они изготовлены из алюминиевых и титановых сплавов, сталей и неметаллических материалов. При этом, как правило, номенклатура этих деталей очень широка, а применяемое на одну машину количество деталей не более десятка. В связи с этим, необходимая штамповая оснастка становится существенной частью себестоимости готового изделия.
В условиях многономенклатурного серийного производства авиационной техники одним из направлений снижения себестоимости производства является применение процессов, в которых применяется универсальный инструмент, относительно простая технологическая оснастка. Процесс должен быть устойчивым к вариациям характеристик материалов. Для изготовления осесимметричных оболо-чечных деталей может применяться технология ротационной вытяжки.
Ротационная вытяжка занимает заметное место среди технологий изготовления осесимметричных деталей методами обработки металлов давлением благодаря ряду особенностей, таким как:
высокая степень вытяжки; относительно невысокая стоимость оснастки;
высокая точность изготавливаемых деталей;
возможность адаптации процесса при вариациях свойств материалов.
Все разнообразие процессов ротационной вытяжки основано на локальном циклическом деформировании материала, выполняемом по винтовой линии при перемещении деформирующего инструмента - одного или нескольких роликов, вдоль заготовки при одновременном ее вращении. Процессы раскатки (получения деталей из трубчатой заготовки) и од-
Чернов Владислав Михайлович - ВГТУ, ст. преподаватель, тел. (473) 248-14-57 104
нопроходной вытяжки, при которых формообразование происходит, как правило, за один проход инструмента, при этом материал заготовки "зажимается" между роликом и оправкой, достаточно хорошо изучены и не вызывают больших сложностей у технологов. Такие процессы называют вытяжкой с преднамеренным утонением. [1]
При многопроходной ротационной вытяжке деформация материала заготовки происходит в основном вне контакта с оправкой. Такой процесс называют вытяжкой без преднамеренного утонения. Во время обработки постоянно изменяются условия деформирования, такие как скорость деформации, зона деформирования, жесткость заготовки, пластические свойства материала.
Многопроходная вытяжка наиболее применима для изготовления деталей со сферическими, цилиндирическими и оживальными образующими, ступенчатых и тороидальных деталей. Формообразование цилиндрических или близких к цилиндрическим участков, даже в зоне близкой к фланцу при относительно малой толщине стенки, невозможно выполнить за один проход (рис. 1). При этом используется круглая заготовка из листового материала. Большая часть специализированного оборудования оснащена специальными вспомогательными устройствами для токарной обработки, поэтому заготовка может быть изготовлена с низкой точностью.
Рис. 1. Переходы при многопроходной ротационной вытяжке Ротационной вытяжке подлежат любые материалы с пластичностью не менее 5=10%.
При достижении предельной степени вытяжки пластичность восстанавливается термообработкой.
При штамповке для выполнения каждого последующего перехода потребовалось бы изготовление отдельного штампа, ротационная вытяжка позволяет продолжить процесс с использованием той же самой оснастки. Наиболее часто применяются алюминиевые сплавы типа АД0, АМцМ, АМг2, медь и медные сплавы, стали 08пс, 10пс, нержавеющие стали типа 08Х18Н10 и т.п. Для материалов с низкой пластичностью в холодном состоянии возможно проведение вытяжки с локальным нагревом.
Основными требованиями к деталям, изготавливаемым методами ротационной вытяжки, являются требования геометрической точности, в первую очередь, точность образующих, эллиптичность после обработки, требования к толщине деталей. Важными показателями качества деталей являются состояние поверхности, механические свойства материала после обработки, микроструктура материала и т.д.
Процесс изготовления оболочки из плоской заготовки многопроходной ротационной вытяжкой можно условно разбить на несколько основных этапов:
1) Первый проход - проецирование;
2) "Основные" проходы;
3) Окончательная калибровка.
При выполнении ротационной вытяжки из плоской листовой заготовки на первом проходе поперечная жесткость заготовки является максимальной, поэтому механика процесса близка к процессу однопроходной вытяжки [2].
"Основные" проходы характеризуются, в первую очередь, наличием достаточно интенсивных сжимающих деформаций, уменьшением диаметра обрабатываемой заготовки, выполнением "обратных" движений инструмента от края заготовки к оправке. При этом часто осуществляется обработка материала заготовки в зазоре между роликом и оправкой - "калибровка" .
Многопроходная вытяжка характеризуется разнообразными условиями деформирования в рамках одной операции в различных зонах обрабатываемой заготовки. Это значительно усложняет выбор начальных параметров процесса и управление в процессе обработки. При этом возможно возникновение ряда дефектов, исключение которых накладывает ограничения на процесс. Такими дефектами являются локальные утонения материала, раз-
рывы, гофры, вздутия, волнистость поверхности, пористость, шелушение поверхности, пружинение и др.
При выполнении этих проходов в заготовке можно выделить 5 различных зон (рис. 2).
Рис. 2. Характерные зоны заготовки
Каждая зона характеризуется уникальными геометрическими параметрами заготовки, различным напряженно-деформированным
состоянием, степенью упрочнения, в них существует вероятность появления различных дефектов, которые определяют характеристики качества изделия.
I Зона проецирования.
II Зона раскатки. При обработке в этой зоне возможно выполнение операции вытяжки с преднамеренным утонением - "раскатки". Материал деформируется в стесненном состоянии. Зона определяет состояние поверхности детали, соответствие геометрии детали геометрии оправки. Возможные дефекты -волнистость поверхности, след от накатки ролика, отдутие, при наличии микрорельефа -уступов, порогов и т.д., возможно образование наплывов и складок.
III Зона опирания фланца. Обеспечение плотной посадки заготовки на оправку в этой зоне снижает вероятность гофрообразования консольной части. При нахождении в этой зоне ролика действуют максимальные растягивающие меридиональные напряжения. При наличии жесткой консольной части и большом шаге между проходами возможны локальные утонения и разрывы.
IV Консольная зона. Характеризуется большим уровнем окружных и меридиональных деформаций [3]. Упрочнение материала может приводить к появлению гофров и разрывов. Устойчивость процесса обеспечивается выбором формы траектории инструмента.
V Свободный фланец. Меридиональные деформации минимальны. Уровень сжимающих напряжений определяет вероятность появления гофров. Наличие краевых дефектов может приводить к появлению радиальных трещин.
Окончательная калибровка выполняется после полной укладки материала заготовки на оправку и предназначена для обеспечения необходимого прилегания детали к оправке, выравнивания поверхности, формования микроэлементов контура. При этом процесс приближенно можно рассматривать как классический процесс ротационного выдавливания - раскатку (рис. 3). На ход процесса существенно влияет разнотолщинность заготовки, отклонение контура детали, неприлегание, форма и состояние поверхности оправки, геометрия давильного ролика, зазоры, скорость подачи и др.
Важно отметить, что каждый из этапов является комбинацией видов процесса - вытяжки, раскатки, обжатия. Т.к. не существует четко выраженных границ между участками, подвергаемыми тому или иному виду обработки, имеется большое количество технологических факторов процесса, то и проектирование такого процесса является весьма сложным и неоднозначным, существенно зависящим от опыта технолога.
Ограничения, накладываемые оборудованием, связаны с габаритами обрабатываемых деталей, энергосиловыми показателями, возможностями системы управления и обеспечения необходимых траекторий, наличием устройств установки нескольких роликов, возможностями выполнения вспомогательных операций в одном цикле.
При проектировании технологического процесса обеспечение устойчивости процесса ротационной вытяжки является основной задачей технолога. Под устойчивостью процесса понимается такое ведение обработки, при котором основные показатели качества детали обеспечиваются при допустимом изменении параметров входа процесса, таких как механические характеристики материала заготовки, температурные режимы, условия смазки, износ оснастки и инструмента, при этом управляемые параметры процесса имеют необходимый достаточно широкий диапазон регулировок.
Управляемые параметры процесса можно разделить на два основных типа:
параметры, изменяемые до начала процесса (статические);
параметры, которые можно изменять во время обработки (динамические).
К первой группе параметров относятся геометрия оправки, геометрия инструмента (роликов), углы установки инструмента.
Ко второй группе относятся траектории инструмента, подачи, скорость вращения заготовки, количество переходов, зазоры между инструментом и оправкой, рабочие усилия (давление).
При относительно большой толщине свободного фланца заготовки процесс протекает устойчиво, по всем параметрам имеется большой запас регулировок. Наибольшие сложности возникают при относительно тонком фланце, когда отношение ширины фланца Ь к толщине 1 составляет не менее 50. Во многих случаях это отношение превышает 100, при коэффициенте вытяжки более 0,5.
Процесс изготовления оболочки из плоской заготовки многопроходной ротационной вытяжкой можно условно разбить на две основные части: первый проход или "проецирование" и основные проходы.
При выполнении ротационной вытяжки из плоской листовой заготовки на первом проходе поперечная жесткость заготовки является максимальной, поэтому механика процесса близка к процессу однопроходной вытяжки. Для многопроходной вытяжки применяются ролики с радиусом рабочей части р в 2^3 раза большим, чем для однопроходной. Это снижает вероятность переутонения и разрывов. Основной проблемой на данном этапе является гофрообразование.
Рассмотрим схему процесса.
Ролик (поз. 1) перемещается со скоростью подачи f вдоль образующей заготовки (поз. 2), образующей с оправкой (поз. 3) угол а (рис.4 а).
В фланце можем выделить три зоны (рис. 4 б):
I - Недеформированная зона: пластические деформации ет=0, е^0, напряжения от>0, ^<0 ;
б
Рис.4. Первый проход
II - Зона деформирования;
III - Деформированная зона: ет>0, е^0,
где ет, ей от, ^ - соответственно меридиональная и окружная логарифмические деформации и напряжения.
На этом этапе на течение процесса существенное влияние оказывает радиус рабочей кромки ролика: чем меньше радиус, тем выше устойчивость процесса. Однако на последующих проходах малый радиус может привести к излишнему утонению заготовки и разрывам. Кроме того малый радиус ролика ограничивает
скорость обработки из-за оставляемой на поверхности заготовки спиралевидной канавки. Управление процессом осуществляется выбором угла наклона траектории инструмента а в пределах 20 30° и скорости подачи £ Основ-
ным параметром для управления становится скорость подачи.
В очаге деформирования (зона II) распределение давления зависит, в первую очередь, от подачи (рис.5).
Of
\
f
б) большая подача
Of
Om
в) напряжения
Рис.5. Распределение Увеличение скорости подачи повышает уровень меридиональных растягивающих напряжений ет в свободном фланце (зона I) и, как следствие, возрастают сжимающие окружные (тангенциальные) напряжения а£ Гофро-образование начинается при достижении сжимающих окружных напряжений критического значения ^ ^ крит.
Эмпирическое значение критической подачи
^рит. = 0,1^0,15 р при р = 3^5 10 На последующих проходах устойчивость процесса зависит от пластических свойств материала, жесткости формы обрабатываемой заготовки, подачи, угла наклона траектории инструмента, условий опирания консольной части на оправку и др.
Оптимизация процесса с учетом особенностей поведения материала в различных зонах заготовки является сложной задачей, решение которой характеризует профессиональный уровень технолога. Поэтому создание математических моделей процесса деформирова-
давления и напряжения в фланце
ния и поведения материала в каждой зоне заготовки на различных этапах позволит повысить качество разрабатываемых технологических процессов и изготавливаемой продукции.
Производство современной авиационной техники представляет собой сложную многоуровневую систему процессов, объединенных общей целью - созданием самолета, предназначенного для обслуживания потребителей.
Литература
1. Корольков В.И. "Технология и оборудование
процессов ротационной вытяжки", Воронеж: изд-во
ВГТУ, 1999.-115с.
2. Чернов В.М. Факторы качества процесса ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из листовых материалов// Авиакосмические технологии АКТ-2005: Труды шестой международной научно-технической конференции (Часть I) - Воронеж, 2005.-С.109-115.
3. Попов С.П., Томилов Ф.Х., В.М.Чернов В.М. Влияние технологических факторов на деформированное состояние и технологические отказы при ротационной вытяжке оболочек из плоских заготовок // Кузнечноштамповочное производство. 1993. №9.С.24-25.
Воронежский государственный технический университет
AIRPLANE CONSTRUCTION PARTS MANUFACTURING BY ROTARY FORMING METHOD
V.M. Chernov
Multipass rotary forming process of thin-walled covers is considered. Technological signs of various stages forming are revealed, possible defects and ways of their prevention are defined
Key words: flexible manufacturing, aircraft engineering, processing of metals by pressure, rotary forming, spinning
Опубликованные в номере материалы явились результатами исследований по проекту «Создание высокотехнологичного производства авиационных агрегатов гражданских самолетов нового поколения с применением концепции гибких производств (гибких производственных систем) для постановки в серийное производство регионального самолета АН-148», выполняемому в рамках Постановления Правительства Российской Федерации от 09.04.2010 № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства»
108
